Область техники
Настоящее описание в целом относится к способам и системам для управления двигателем транспортного средства для снижения выбросов от двигателя и рекуперации тепла отработавших газов.
Уровень техники и раскрытие изобретения
Двигатели можно эксплуатировать с подачей заряда воздуха, сжатого турбонагнетателем, в котором компрессор всасываемого воздуха приводится в действие газовой турбиной. При этом расположение турбины в выпускной системе может привести к росту выбросов при холодном пуске двигателя из-за того, что турбина действует как поглотитель тепла. В частности, во время холодного пуска двигателя может происходить поглощение тепла отработавших газов двигателя турбиной, что снижает количество тепла отработавших газов, поступающее в расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов. Это задерживает достижение температуры активации каталитического нейтрализатора. Как следствие, может возникнуть необходимость изменения момента зажигания в сторону запаздывания для активации каталитического нейтрализатора. Проигрыш в расходе топлива, связанный с применением запаздывания зажигания, может свести на нет или даже перевесить выигрыш в экономии топлива, обеспечиваемый работой двигателя с наддувом. Кроме того, в связи с тем, что во время холодного пуска температуры стенок и поршней цилиндров ниже пороговых, могут возрасти выбросы углеводородов. Поэтому может возникнуть необходимость подачи тепла в двигатель для повышения температуры стенок и поршня цилиндра.
В связи с вышеизложенным, был разработан ряд решений для ускорения достижения температуры активации катализатора в состояниях холодного пуска двигателя с наддувом. Один пример решения, раскрытый Эндрюсом (Andrews) в US 8,23,4865, предусматривает направление отработавших газов к выхлопной трубе по каналу, идущему в обход газовой турбины, в состояниях холодного пуска. Поток отработавших газов через указанный канал регулирует пассивный клапан с терморелейным управлением, открытие которого происходит в условиях низкой температуры (например, во время холодного пуска). Клапан с терморелейным управлением содержит биметаллический элемент с возможностью деформации в зависимости от температуры и, тем самым, регулирования прохода клапана. Направление потока в обход турбины позволяет подавать тепло отработавших газов непосредственно в каталитический нейтрализатор отработавших газов.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки таких систем. В качестве одного примера, тепло отработавших газов может не быть в достаточной мере рекуперировано и использовано для ускорения нагрева стенок и поршней цилиндров. В результате, из-за относительно низкой температуры цилиндров могут возрасти выбросы углеводородов. Кроме того, направление отработавших газов в обход турбины может привести к задержке раскрутки турбины, результатом чего являются турбояма и ухудшение показателей наддува. Кроме того, после активации катализатора, температура отработавших газов, беспрепятственно достигающих каталитического нейтрализатора, может быть выше необходимой. В связи с особенностями покрытия на поверхности каталитического нейтрализатора (например, на поверхности окислительного каталитического нейтрализатора отработавших газов или трехкомпонентного каталитического нейтрализатора), коэффициенты нейтрализации каталитического нейтрализатора могут быть более высокими при более низких температурах отработавших газов. Превышение необходимой температуры отработавших газов, поступающих в этот каталитический нейтрализатор, может привести к снижению его функциональных показателей.
Авторы настоящего изобретения определили решение, позволяющее как минимум частично преодолеть вышеуказанные недостатки. Один пример способа для двигателя с наддувом содержит шаги, на которых: во время холодного пуска направляют отработавшие газы сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, затем через нейтрализатор на днище кузова, затем через перепускной канал отработавших газов с теплообменником, а затем через турбину; осуществляют передачу тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник; и осуществляют нагрев цилиндра и поршня двигателя за счет тепла отработавших газов, рекуперированного в теплообменнике. Это обеспечивает возможность повышения температур стенок и поршней цилиндров, а также ускорения активации катализатора, за счет тепла отработавших газов.
В одном примере система двигателя с турбонаддувом может быть выполнена с узлом разветвленной выпускной системы, в котором выпускной канал ниже по потоку от выпускного коллектора разделен на как минимум три отдельные ветви, каждая из которых образует отдельный путь потока. Ветви могут быть соединены между собой посредством клапанов с возможностью регулирования порядка течения отработавших газов по каждому из путей потока путем регулировок положения указанных клапанов. С разными ветвями узла разветвленной выпускной системы могут быть соединены отличные друг от друга компоненты выпускной системы. Например, газовая турбина турбонагнетателя может быть соединена с первой ветвью, нейтрализатор на днище кузова может быть соединен со второй ветвью, а окислительный каталитический нейтрализатор отработавших газов (трехкомпонентный каталитический нейтрализатор) может быть соединен с третьей ветвью узла выпускной системы. Перепускной канал отработавших газов также может соединять систему охлаждения двигателя с первой ветвью выше по потоку от турбонагнетателя с возможностью направления отработавших газов, поступивших в первую ветвь, непосредственно из области выше по потоку от турбины в перепускной канал без прохождения через турбину. В перепускном канале может быть установлен теплообменник, где может происходить передача тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник. Регулируя положение отводного клапана, можно регулировать поток отработавших газов по перепускному каналу. В состояниях холодного пуска, положение клапанов выпускной системы может регулировать контроллер двигателя для направления отработавших газов сначала через каталитический нейтрализатор, затем через нейтрализатор на днище кузова, затем по перепускному каналу, а затем через турбину. За счет тепла, отобранного из отработавших газов охлаждающей жидкостью, циркулирующей через теплообменник, можно повышать температуру стенок и поршней цилиндров. После активации каталитического нейтрализатора, положение клапанов можно отрегулировать для направления отработавших газов сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через каталитический нейтрализатор. Это позволяет ускорить раскрутку турбины. В состояниях высокой нагрузки двигателя, например, во время работы с наддувом, положение клапанов можно отрегулировать для одновременного направления отработавших газов в выхлопную трубу по двум отдельным путям потока. Например, первая часть отработавших газов может течь сначала по перепускному каналу, затем через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через активированный каталитический нейтрализатор с последующим выходом по выхлопной трубе. Вторая (остальная) часть отработавших газов может течь сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через активированный каталитический нейтрализатор с последующим выходом по выхлопной трубе. Часть отработавших газов, направляемую через теплообменник, можно регулировать в зависимости от потребностей в нагреве двигателя и нагрузки двигателя. Кроме того, в состояниях высокой нагрузки двигателя, в поток отработавших газов выше по потоку от турбины можно подавать охлаждающую текучую среду для снижения температуры отработавших газов, поступающих в турбину.
Таким образом, направление отработавших газов по разным путям потока узла разветвленной выпускной системы позволяет ускорить достижение температуры активации каталитического нейтрализатора с одновременным отбором тепла отработавших газов и созданием наддува двигателя в состояниях холодного пуска. А именно, отработавшие газы можно направлять через теплообменник, турбину, каталитический нейтрализатор отработавших газов и нейтрализатор на днище кузова, при этом порядок течения отработавших газов через указанные компоненты регулируют в зависимости от параметров работы. Регулирование потока отработавших газов в состояниях холодного пуска для направления горячих отработавших газов сначала через каталитический нейтрализатор отработавших газов, а затем через теплообменник перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет за счет тепла отработавших газов эффективно нагревать каталитический нейтрализатор и прочие компоненты двигателя. Регулирование потока отработавших газов после активации каталитического нейтрализатора для направления горячих отработавших газов через газовую турбину перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет уменьшить турбояму. Кроме того, происходит снижение температуры отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор, что повышает коэффициент нейтрализации каталитического нейтрализатора. Технический эффект, достигаемый рекупераций тепла отработавших газов с помощью охлаждающей жидкости двигателя, состоит в возможности ускорения нагрева стенок и поршней цилиндров и снижения выбросов углеводородов, в частности, в состояниях холодного пуска. Направление отработавших газов по нескольким путям потока в узле выпускной системы позволяет снизить температуру отработавших газов, текущих через турбину, и, тем самым, снизить вероятность погрешности наддува и сбоя в работе металлических компонентов турбины в состояниях высокой нагрузки двигателя. Кроме того, применение охлаждающей жидкости выше по потоку от турбины для снижения температуры отработавших газов позволяет уменьшить повреждение металлических компонентов турбины. В целом, изменение порядка течения отработавших газов через компоненты выпускной системы и рекуперация тепла отработавших газов позволяют повысить КПД двигателя, качество выбросов и топливную экономичность в системе двигателя с наддувом.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Заявляемый предмет изобретения также не ограничивается вариантами осуществления, устраняющими недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
ФИГ. 1 изображает пример осуществления системы двигателя, содержащей первый узел разветвленной выпускной системы и теплообменник отработавших газов.
ФИГ. 2 изображает пример осуществления системы двигателя, содержащей второй узел разветвленной выпускной системы и систему рекуперации тепла отработавших газов.
ФИГ. 3А изображает пример осуществления первого узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1, работающего в первом режиме.
ФИГ. 3В изображает пример осуществления первого узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1, работающего во втором режиме.
ФИГ. 3С изображает пример осуществления первого узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1, работающего в третьем режиме.
ФИГ. 4А изображает пример осуществления второго узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 2, работающего в первом режиме.
ФИГ. 4В изображает пример осуществления второго узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 2, работающего во втором режиме.
ФИГ. 4С изображает пример осуществления второго узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 2, работающего в третьем режиме.
На ФИГ. 5 раскрыта блок-схема примера способа с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через первый узел разветвленной выпускной системы и теплообменник.
На ФИГ. 6 раскрыта таблица, иллюстрирующая различные режимы работы первого узла разветвленной выпускной системы.
На ФИГ. 7 раскрыт пример работы первого узла разветвленной выпускной системы.
На ФИГ. 8 раскрыта блок-схема примера способа с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через второй узел разветвленной выпускной системы и систему рекуперации тепла отработавших газов.
На ФИГ. 9 раскрыта таблица, иллюстрирующая различные режимы работы второго узла разветвленной выпускной системы.
На ФИГ. 10 раскрыт пример работы второго узла разветвленной выпускной системы.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам для снижения выбросов от двигателя и рекуперации тепла отработавших газов с одновременным созданием наддува для системы двигателя. Примеры систем двигателя, содержащих узлы разветвленной выпускной системы, раскрыты на ФИГ. 1 и 2. В системе на ФИГ. 1 применяют отдельный теплообменник для рекуперации тепловой энергии отработавших газов, предназначенной для нагрева стенок и поршней цилиндров. В системе на ФИГ. 2 отработавшие газы направляют через цилиндры двигателя, причем передачу тепла отработавших газов стенкам и поршню цилиндра осуществляет циркулирующая охлаждающая жидкость. Разные режимы работы систем на ФИГ. 1-2 подробно раскрыты на примере ФИГ. 3А-3С и ФИГ. 4А-4С. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма управления, например, алгоритмов на ФИГ. 5 и 8, для изменения положения клапана (клапанов) системы и, тем самым, регулирования потока отработавших газов через узлы разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1 и 2 соответственно. Разные режимы работы узлов разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1 и 2 представлены в табличной форме на ФИГ. 6 и 9 соответственно. Пример работы систем на ФИГ. 1 и 2 раскрыты на ФИГ. 7 и 10 соответственно.
На ФИГ.1 схематически представлены аспекты примера системы 100 двигателя, содержащей двигатель 10. В изображенном варианте осуществления двигатель 10 представляет собой двигатель с наддувом, соединенный с турбонагнетателем 13, содержащим компрессор 114 с приводом от турбины 116. А именно, свежий воздух поступает по заборному каналу 42 в двигатель 10 через воздухоочиститель 112 и течет в компрессор 114. Компрессор может представлять собой подходящий компрессор всасываемого воздуха, например приводимый от мотора или приводного вала компрессор турбонагнетателя. В системе двигателя 10 компрессор 114 представляет собой компрессор турбонагнетателя, механически соединенный с турбиной 116 посредством вала (не показан), при этом турбину 116 приводят в действие расширяющиеся отработавшие газы двигателя.
Компрессор 114 на ФИГ.1 соединен через охладитель 17 наддувочного воздуха ОНВ (CAC) с дроссельной заслонкой 20. Дроссельная заслонка 20 соединена с впускным коллектором 22 двигателя. Заряд сжатого воздуха из компрессора течет через охладитель 17 наддувочного воздуха и дроссельную заслонку во впускной коллектор. В варианте осуществления на ФИГ.1 давление заряда воздуха во впускном коллекторе определяет датчик давления воздуха в коллекторе ДВК (MAP).
С входом компрессора 114 могут быть соединены один или несколько датчиков. Например, датчик 55 температуры может быть соединен с указанным входом для оценки температуры на входе компрессора, а датчик 56 давления может быть соединен с указанным входом для оценки давления на входе компрессора. В еще одном примере датчик 57 влажности может быть соединен с указанным входом для оценки влажности заряда воздуха, поступающего в компрессор. В число прочих датчиков могут входить, например, датчики воздушно-топливного отношения и т.п. В других примерах один или несколько параметров на входе компрессора (например, влажность, температуру, давление и т.п.) можно выводить из параметров работы двигателя. Кроме того, когда включена рециркуляция отработавших газов РОГ (EGR), указанные датчики могут оценивать температуру, давление, влажность и воздушно-топливное отношение смешанного заряда воздуха, включающего в себя свежий воздух, рециркулируемый сжатый воздух и отработавшие газы, поступившие во вход компрессора.
Впускной коллектор 22 соединен с рядом камер 30 сгорания посредством ряда впускных клапанов (не показаны). Камеры сгорания также соединены с выпускным коллектором 36 посредством ряда выпускных клапанов (не показаны). В одном варианте осуществления и выпускные, и впускные клапаны выполнены с возможностью электронного приведения в действие или управления. В еще одном варианте и выпускные, и впускные клапаны выполнены с возможностью кулачкового приведения в действие или управления. Независимо от типа управления -электронного или кулачкового, моменты открытия и закрытия выпускных и впускных клапанов можно регулировать для обеспечения необходимых показателей в части сгорания и снижения токсичности выбросов.
В камеры 30 сгорания можно подавать одно или несколько топлив, например, бензин, спиртосодержащие смеси, дизельное топливо, биодизельное топливо, сжатый природный газ и т.п., через форсунку (не показана). Топливо можно подавать в камеры сгорания непосредственным впрыском, впрыском во впускной канал, впрыском в корпус дроссельной заслонки или используя любую комбинацию указанных способов. Для начала процесса горения в камерах сгорания можно использовать искровое зажигание и (или) воспламенение от сжатия.
Выпускной коллектор 36 на ФИГ. 1 может вести в узел разветвленной выпускной системы 150, в котором выпускной канал 103 разделен на три отдельные ветви, каждая из которых образует отдельный путь потока. Три ветви расположены по существу параллельно друг другу. Ветви могут быть соединены друг с другом по текучей среде посредством двух четырехходовых клапанов 117 и 115 с возможностью регулирования порядка течения отработавших газов по каждому из путей потока путем регулирования положения каждого из клапанов 115 и 117.
Первый четырехходовой клапан 117 может быть соединен с первым концом первой ветви 104, первым концом второй ветви 102 и первым концом третьей ветви 106. Второй четырехходовой клапан может быть соединен со вторым концом первой ветви 104, вторым концом второй ветви 102 и вторым концом третьей ветви 106. С каждой из ветвей узла разветвленной выпускной системы могут быть соединены отдельные компоненты выпускной системы. Например, газовая турбина 116 турбонагнетателя 13 может быть соединена с первой ветвью 104, нейтрализатор 118 на днище кузова может быть соединен со второй ветвью 102, а трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ТКН (TWC) 120 может быть соединен с третьей ветвью 106 узла 150 выпускной системы.
Перепускной канал 123 отработавших газов может быть соединен с первой ветвью 104 узла 150 разветвленной выпускной системы выше по потоку от турбины 116. Отводной клапан 119 может быть установлен в месте соединения первой ветви 104 и перепускного канала 123 отработавших газов для регулирования потока отработавших газов в перепускной канал 123 из первой ветви 104. В одном примере отводной клапан 119 может быть бесступенчато-регулируемым. В еще одном примере отводной клапан 119 может представлять собой трехходовой клапан. Перепускной канал может также содержать теплообменник 122 для охлаждения протекающих отработавших газов. Отработавшие газы могут течь из первой ветви 104 в первый конец теплообменника 122, ближний к выпускному коллектору, через отводной клапан 119 и перепускной канал 123. С перепускным каналом 123 может быть соединен обратный клапан ниже по потоку от теплообменника 122 для пропуска в одном направлении потока отработавших газов по перепускному каналу из второго конца теплообменника 122 в первую ветвь 104 (и блокирования потока отработавших газов из первой ветви 104 во второй конец теплообменника 122). Теплообменник может быть соединен с емкостью 132 охлаждающей жидкости через насос 130 охлаждения. Охлаждающая жидкость из емкости 132 охлаждающей жидкости может циркулировать через теплообменник 122, а при прохождении отработавших газов через теплообменник 122 возможна передача тепла от горячих отработавших газов охлаждающей жидкости. В одном примере теплообменник 122 может представлять собой водно-газовый теплообменник. После передачи тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости можно осуществлять циркуляцию нагретой охлаждающей жидкости в двигатель для нагрева стенок и поршней цилиндров (при необходимости) по первой линии 124 охлаждающей жидкости и второй линии 128 охлаждающей жидкости. В одном примере охлаждающая жидкость из теплообменника 122 может течь по первой линии 124 охлаждающей жидкости в каналы 127 охлаждающей жидкости, окружающие каждый из цилиндров 30 с возможностью передачи тепла от охлаждающей жидкости цилиндрам 30. После передачи тепла от охлаждающей жидкости, охлаждающая жидкость может быть возвращена в теплообменник 122 по второй линии 128 охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость также может циркулировать через сердцевину нагревателя в зависимости от потребности в нагреве салона транспортного средства.
В состояниях холодного пуска (например, в первом состоянии), клапаны 117, 115 и 119 можно отрегулировать для направления отработавших газов сначала по третьей ветви 106, вмещающей трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120, затем по второй ветви 102, вмещающей нейтрализатор 118 на днище кузова, затем через теплообменник 122 и в последнюю очередь по первой ветви 104, вмещающей турбину 116. Направление горячих отработавших газов через каталитический нейтрализатор перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет эффективно осуществлять передачу тепла каталитическому нейтрализатору во время холодного пуска для ускорения достижения активации каталитического нейтрализатора. Направление горячих отработавших газов через теплообменник 122 позволяет эффективно осуществлять передачу тепла отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник и цилиндры двигателя, и за счет отобранного тепла (из отработавших газов) обогревать стенки и поршни цилиндров и салон. Нагрев стенок и поршней цилиндров позволяет снизить выбросы углеводородов при холодном пуске. Направление отработавших газов через турбину 116 позволяет создавать наддув двигателя даже в состояниях холодного пуска. После активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора (например, во втором состоянии), клапаны 117, 115 и 119 можно отрегулировать для направления отработавших газов сначала по первой ветви 104, вмещающей турбину 116, затем по второй ветви 102, вмещающей нейтрализатор 118 на днище кузова, а затем по третьей ветви 106, вмещающей трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов через турбину 116 перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет уменьшить турбояму. Кроме того, это позволяет снизить температуру отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор 120, и, тем самым, повысить коэффициент нейтрализации каталитического нейтрализатора. Так как в это время температура двигателя выше пороговой (в связи с чем происходит активация каталитического нейтрализатора), рекуперация тепла отработавших газов для нагрева цилиндров и поршней может быть больше не нужна, поэтому отработавшие газы можно не направлять через теплообменник 122. Во время работы с нагрузкой выше пороговой (третье состояние), клапаны 117, 115 и 119 можно отрегулировать для направления отработавших газов сначала по первой ветви 104. Степень открытия (угол) отводного клапана 119 можно отрегулировать для направления первой части отработавших газов в перепускной канал 123 из области выше по потоку от турбины 116 в первой ветви 104. Первая часть отработавших газов может далее течь через теплообменник 122 с последующим возвратом в первую ветвь 104. Таким образом, первую часть отработавших газов можно охладить в теплообменнике 122 и направить через турбину 116 опосредованно. В то же самое время, вторую часть отработавших газов можно направить непосредственно через турбину, в обход теплообменника. Таким образом, охлаждение только части отработавших газов, поступающих в турбину, позволяет лучше регулировать температуру отработавших газов, поступающих в турбину 116. Как следствие, это позволяет снизить тепловую нагрузку на турбину, что позволяет уменьшить число оборотов турбины и, в свою очередь, снизить вероятность повреждения компонентов системы турбины. Первая и вторая части отработавших газов, выходящие из турбины 116, могут далее течь по второй ветви 102, вмещающей нейтрализатор 118 на днище кузова, а затем по третьей ветви 106, вмещающей трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120. Соотношение первой и второй частей можно регулировать в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува, при этом регулирование включает в себя уменьшение первой части с соответствующим увеличением второй части по мере роста водительского запроса и увеличение первой части с соответствующим уменьшением второй части по мере роста погрешности наддува, при этом погрешность наддува представляет собой разность фактического и необходимого наддува. В зависимости от результата оценки соотношения первой и второй частей, можно отрегулировать степень открытия (угол) отводного клапана 119. Все нейтрализованные отработавшие газы или их часть, выходящие из узла 150 разветвленной выпускной системы, могут течь вниз по направлению потока в выпускном канале 103 с возможностью сброса в атмосферу через выхлопную трубу 105 после прохождения через глушитель 172. Детальное описание работы и конструкции узла 150 разветвленной выпускной системы будет раскрыто на примерах ФИГ. 2А, 2В, 2С, 5, 6 и 7.
В еще одном примере осуществления одно устройство нейтрализации отработавших газов может быть выполнено с возможностью улавливания оксидов азота из потока отработавших газов, когда поток отработавших газов имеет бедное воздушно-топливное отношение, и восстановления уловленных оксидов азота, когда поток отработавших газов имеет богатое воздушно-топливное отношение. В других примерах каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть выполнен с возможностью диспропорционирования оксидов азота или избирательного восстановления оксидов азота с помощью восстановителя. В других примерах каталитический нейтрализатор отработавших газов может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или угарного газа в потоке отработавших газов. Разные каталитические нейтрализаторы отработавших газов с любыми из таких функциональных возможностей могут быть совместно или по отдельности расположены в покрытиях из пористых оксидов или иных местах на ступенях нейтрализации отработавших газов. В некоторых вариантах осуществления, в число ступеней нейтрализации отработавших газов может входить сажевый фильтр с возможностью регенерации и улавливания и окисления частиц сажи, содержащихся в потоке отработавших газов.
Магистраль 180 рециркуляции отработавших газов (РОГ) может быть соединена с выпускным каналом 103 в месте ниже по потоку от узла 150 разветвленной выпускной системы для подачи газов РОГ низкого давления (РОГ НД) из области ниже по потоку от турбины 116 в выпускном канале 103 во впускной коллектор 22 выше по потоку от компрессора 114. В зависимости от параметров работы, например, температуры двигателя, та или иная часть отработавших газов может быть перенаправлена во вход компрессора 114 через клапан 52 рециркуляции отработавших газов (РОГ) и магистраль 180 РОГ. Клапан 52 РОГ можно открывать для пропуска регулируемого количества отработавших газов во вход компрессора для обеспечения необходимых показателей сгорания и снижения токсичности выбросов. Клапан 52 РОГ может быть выполнен бесступенчато-регулируемым. При этом в еще одном примере клапан 52 РОГ может быть выполнен двухпозиционным.
С магистралью 180 РОГ могут быть соединены один или несколько датчиков для выдачи информации о составе и состоянии газов РОГ. Например, датчик температуры может быть установлен для определения температуры газов РОГ, датчик давления – для определения давления газов РОГ, датчик влажности – для определения влажности или содержания воды в газах РОГ, а датчик воздушно-топливного отношения – для оценки воздушно-топливного отношения газов РОГ. Или же параметры РОГ можно выводить из показаний одного или нескольких из датчиков 55-57 температуры, давления, влажности и воздушно-топливного отношения, соединенных с входом компрессора. В одном примере датчик 57 воздушно-топливного отношения представляет собой кислородный датчик.
Система 100 двигателя может также содержать систему 14 управления. Система 14 управления показана получающей информацию от множества датчиков 16 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании) и направляющей управляющие сигналы множеству исполнительных устройств 18 (ряд примеров которых раскрыт в настоящем описании). В качестве одного примера, в число датчиков 16 могут входить: датчик отработавших газов, расположенный выше по потоку от узла 150 разветвленной выпускной системы, датчик ДВК, датчик температуры отработавших газов, датчик давления отработавших газов, датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, датчик 55 температуры на входе компрессора, датчик 56 давления на входе компрессора, датчик 57 влажности на входе компрессора и датчик РОГ. Прочие датчики, например, дополнительные датчики давления, температуры, воздушно-топливного отношения и состава могут быть установлены в различных местах в системе 100 двигателя. В число исполнительных устройств 81 могут входить, например, дроссель 20, клапан 52 РОГ, четырехходовые клапаны 117 и 115, отводной клапан 119, обратный клапан 121, насос 130 охлаждения и топливная форсунка. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер 12 выполнен с возможностью приема входных данных от различных датчиков, обработки этих входных данных и приведения в действие различных исполнительных устройств в зависимости от результатов обработки входных данных в соответствии с инструкцией или кодом, запрограммированным в нем и соответствующим одному или нескольким алгоритмам. Например, в зависимости от таких параметров работы двигателя, как температура двигателя и нагрузка двигателя, контроллер 12 может отрегулировать проход любого из четырехходовых клапанов 117 и 115 и отводного клапана 119 для направления отработавших газов по разным путям потока узла 150 разветвленной выпускной системы. Алгоритм управления раскрыт в настоящем описании на примере ФИГ. 5. В еще одном примере, также в зависимости от параметров работы двигателя может быть отрегулирован проход клапана 52 РОГ для отбора необходимого количества газов РОГ из выпускного канала 103 во впускной коллектор двигателя.
Другой вариант осуществления системы двигателя на ФИГ. 1 представлен на ФИГ. 2 и подробно раскрыт ниже на примере системы 200 двигателя. Разные режимы работы блока перепуска отработавших газов на ФИГ. 2 раскрыты на примере ФИГ. 4А-4В.
На ФИГ. 3А раскрыт пример 300 осуществления эксплуатации узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1 в первом рабочем режиме. В одном примере узел 300 является одним из вариантов осуществления узла 150 на ФИГ. 1, в связи с чем может иметь те же признаки и/или конфигурации, что уже раскрыты для узла 150 разветвленной выпускной системы.
Узел 300 разветвленной выпускной системы расположен на главном выпускном канале 303 ниже по потоку от выпускного коллектора двигателя и выше по потоку от выхлопной трубы. В месте 305 соединения главный выпускной канал 303 может быть разделен на три отдельные ветви, каждая из которых образует отдельный путь потока. Первый четырехходовой клапан 117 может быть соединен с главным выпускным каналом 303 на первом конце (ближнем к выпускному коллектору) каждой трех ветвей, а именно - в месте 305 соединения. Клапан 117 выполнен с возможностью установки в одно из двух разных положений для регулирования направления потока отработавших газов по трем ветвям в зависимости от параметров работы двигателя. Второй четырехходовой клапан 115 может быть соединен с главным выпускным каналом 303 на втором конце (ближнем к выхлопной трубе) каждой трех ветвей (в месте 307 соединения). Клапан 115 выполнен с возможностью установки в два разных положения для регулирования направления потока отработавших газов по трем ветвям в зависимости от параметров работы двигателя. Клапаны 117 и 115 соединяют по текучей среде указанные три ветви и выполнены с возможностью координированного приведения в действие для обеспечения необходимого потока отработавших газов через узел 300 разветвленной выпускной системы.
Первая впускная труба 323 может брать начало в главном выпускном канале 203 в месте 305 соединения. Первая впускная труба 323 может вести в первую ветвь 104. Турбина 116 может быть расположена в первой ветви 104. В одном примере турбина 116 может представлять собой турбину с изменяемой геометрией. Первая выпускная труба 324 может брать начало в первой ветви 104 ниже по потоку от турбины 116 и заканчиваться в месте 307 соединения узла 300 выпускной системы. Перепускной канал 123 отработавших газов может быть соединен с первой ветвью 104 выше по потоку от турбины 116. Отводной клапан 119 может быть соединен с местом соединения первой ветви 104 и перепускного канала 123. В одном примере отводной клапан 119 может быть бесступенчато-регулируемым, при этом степень открытия клапана 119 можно регулировать в зависимости от необходимого потока отработавших газов по перепускному каналу 123. Теплообменник 122 может быть расположен в перепускном канале 123, при этом ниже по потоку от теплообменника 122 с перепускным каналом 123 может быть соединен обратный клапан. Первая линия 124 охлаждающей жидкости и вторая линия 128 охлаждающей жидкости могут соединять теплообменник 122 с каналами охлаждающей жидкости, окружающими цилиндры двигателя.
Часть главного выпускного канала 303 может образовывать вторую ветвь 102. Вторая ветвь (путь потока) 102 может брать начало в месте 305 соединения и может заканчиваться (сливаться с главным выпускным каналом 303) в месте 307 соединения. Нейтрализатор 118 на днище кузова может быть расположен во второй ветви 102. В другом варианте осуществления, для дизельного двигателя, во второй ветви 102 может быть расположен фильтр твердых частиц дизельного двигателя ФТЧДД (DPF) или устройство избирательного каталитического восстановления (ИКВ) (SCR). Вторая впускная труба 325 может брать начало в главном выпускном канале 303 в месте 305 соединения. Вторая впускная труба 325 может вести в третью ветвь 106. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120 может быть расположен в третьей ветви 106. Ниже по потоку от каталитического нейтрализатора 120, вторая выпускная труба 326 может брать начало в ветви 106 и заканчиваться в месте 307 соединения узла выпускной системы. В другом варианте осуществления, для дизельного двигателя, в третьей ветви 106 может быть расположен окислительный каталитический нейтрализатор дизельного двигателя. Три ветви (пути потока) 104, 102 и 106 могут быть по существу параллельны друг другу.
В зависимости от параметров работы двигателя и температурных потребностей каждого из компонентов выпускной системы (турбины, нейтрализатора на днище кузова и каталитического нейтрализатора), порядок течения отработавших газов через каждый из компонентов можно регулировать без необходимости направления их в обход какого-либо из компонентов. В зависимости от положения клапанов 117, 115, во взаимосвязи с клапаном 119, отработавшие газы можно направлять из главного выпускного канала 203 по каждой из ветвей узла 300 выпускной системы (в разном порядке). Узел 300 выпускной системы можно эксплуатировать в трех рабочих режимах в зависимости от выбранного положения клапанов.
Первый рабочий режим представляет первое заданное положение четырехходовых клапанов 117 и 115 и отводного клапана 119, позволяющее регулировать поток отработавших газов. В первом рабочем режиме первый четырехходовой клапан 117 может находиться в первом положении, второй четырехходовой клапан 115 может находиться в первом положении, а отводной клапан 119 может находиться в полностью открытом положении. В первом рабочем режиме, в связи с первым положением первого клапана 117, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу 303, может поступать во вторую впускную трубу 325 в месте 305 соединения. Из второй впускной трубы 325 отработавшие газы могут далее течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120, расположенный в третьей ветви 106 узла 300 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца ТКН, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу ТКН, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из ТКН 120, отработавшие газы текут далее вниз по третьей ветви 106 во вторую выпускную трубу 326. В связи с первым положением второго клапана 115, после поступления в место 307 соединения, отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор 118 на днище кузова, расположенный во второй ветви 102, во втором направлении (от второго конца нейтрализатора на днище кузова, ближнего к выхлопной трубе, к первому концу нейтрализатора на днище кузова, ближнему к выпускному коллектору двигателя). В данном случае второе направление потока отработавших газов по второй ветви противоположно первому направлению потока отработавших газов по первой ветви и по третьей ветви. После выхода из нейтрализатора 118 на днище кузова, отработавшие газы текут далее по второй ветви 102 к месту 305 соединения. В месте 305 соединения, отработавшие газы могут вновь поступить в первую впускную трубу 323. Из первой впускной трубы 323 отработавшие газы могут поступить в первую ветвь 104. В связи с открытым положением отводного клапана 119, отработавшие газы могут не течь далее вниз по первой ветви 104, а могут быть направлены в перепускной канал 123. Отработавшие газы могут далее течь через теплообменник 122, расположенный в перепускном канале 123, и вновь поступать в первую ветвь 104 выше по потоку от турбины. Охлаждающая жидкость может циркулировать через теплообменник для отбора тепла от отработавших газов, текущих через теплообменник 122. Охлаждающая жидкость, нагретая за счет рекуперированного тепла отработавших газов, может далее быть направлена в каналы охлаждающей жидкости, окружающие цилиндр двигателя, по первой линии 124 охлаждающей жидкости. После протекания вокруг цилиндров двигателя по каналам охлаждающей жидкости, охлаждающая жидкость может вновь поступить в теплообменник по второй линии 128 охлаждающей жидкости.
Отработавшие газы могут далее течь через турбину 116, расположенную в первой ветви 104 узла 300 выпускной системы, в первом направлении потока отработавших газов (от первого конца турбины, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу турбины, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из турбины 116, отработавшие газы могут течь далее вниз по первой ветви 104 в первую выпускную трубу 324. После поступления в место 307 соединения (по первой выпускной трубе 324), отработавшие газы могут покинуть узел 300 разветвленной выпускной системы и могут течь далее вниз к выхлопной трубе по главному выпускному каналу 303.
Узел разветвленной выпускной системы можно эксплуатировать в первом рабочем режиме (как раскрыто выше) в состояниях холодного пуска. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через ТКН 120, перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы (турбину 116 и нейтрализатор 118 на днище кузова), позволяет эффективно осуществлять передачу тепла отработавших газов каталитическому нейтрализатору, ускоряя активацию каталитического нейтрализатора. Таким образом, за счет горячих отработавших газов можно эффективно повышать температуру ТКН, снижая необходимость в запаздывании зажигания и, тем самым, повышая топливную экономичность двигателя. Более быстрое достижение температуры активации ТКН 120 позволяет улучшить качество выбросов при холодном пуске. Направление отработавших газов через теплообменник позволяет рекуперировать тепло из отработавших газов и за его счет нагревать стенки и поршни цилиндров, что также позволяет снизить выбросы углеводородов при холодном пуске. Кроме того, направление отработавших газов через турбину 116 в состояниях холодного пуска позволяет сократить задержки в раскрутке турбины и, тем самым, уменьшить турбояму и улучшить показатели работы двигателя с наддувом.
ФИГ. 3В изображает схематический вид 350 примера осуществления блока 300 перепуска отработавших газов на ФИГ. 3А во втором рабочем режиме. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 3А, имеют аналогичные номера и не раскрываются повторно.
Второй рабочий режим представляет второе заданное положение четырехходовых клапанов 117 и 115 и отводного клапана 119, позволяющее регулировать поток отработавших газов. Во втором рабочем режиме первый четырехходовой клапан 117 может находиться во втором положении, второй четырехходовой клапан 215 может находиться во втором положении, а отводной клапан 119 может находиться в закрытом положении. Во втором рабочем режиме, в связи со вторым положением первого клапана 117, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу 303, может поступать в первую впускную трубу 323 в месте 305 соединения. В связи с закрытым положением отводного клапана 119, вход в перепускной канал 123 может быть блокирован, и отработавшие газы могут не поступать в перепускной канал 123. Поэтому из первой впускной трубы 323 отработавшие газы могут далее течь через турбину 116, расположенную в первой ветви 104 узла 300 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца турбины, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу турбины, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из турбины 116, отработавшие газы далее текут вниз по первой ветви 104 в первую выпускную трубу 324. В связи со вторым положением второго клапана 115, после поступления в место 307 соединения, отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор 118 на днище кузова, расположенный во второй ветви 102, во втором направлении (от второго конца нейтрализатора на днище кузова, ближнего к выхлопной трубе, к первому концу нейтрализатора на днище кузова, ближнему к выпускному коллектору двигателя), при этом второе направление противоположно первому. После выхода из нейтрализатора 118 на днище кузова, отработавшие газы текут далее по второй ветви 102 к месту 305 соединения. В месте 305 соединения, отработавшие газы могут поступить во вторую впускную трубу 325. Из второй впускной трубы 325 отработавшие газы могут течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120, расположенный в третьей ветви 106 узла 300 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца ТКН, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу ТКН, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из ТКН 120, отработавшие газы могут далее течь вниз по третьей ветви 106 во вторую выпускную трубу 326. После поступления в место 307 соединения (по второй выпускной трубе 326), отработавшие газы могут покинуть узел 300 разветвленной выпускной системы и могут течь далее вниз к выхлопной трубе по главному выпускному каналу 203.
Узел разветвленной выпускной системы можно эксплуатировать во втором рабочем режиме (как раскрыто выше) после полной активации ТКН 120 (после достижения температуры активации), и когда рекуперация тепла отработавших газов может быть больше не нужна для повышения температуры двигателя. В это время нагрузка двигателя может быть низкой/умеренной, а температура двигателя может быть относительно высокой. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через турбину 116 позволяет улучшить показатели наддува в области нагрузки от низкой до средней. После того, как отработавшие газы пройдут через турбину 116, температура отработавших газов может упасть. В связи с особенностями покрытия на поверхности каталитического нейтрализатора, коэффициент нейтрализации ТКН 120 может быть выше при более низких температурах отработавших газов. Поэтому низкотемпературные отработавшие газы, поступающие в ТКН 120 (после прохождения через турбину 116), могут обеспечить оптимальные показатели работы ТКН 120.
ФИГ. 3С изображает схематический вид 380 примера осуществления блока 300 перепуска отработавших газов в третьем рабочем режиме. Третий рабочий режим представляет третье заданное положение четырехходовых клапанов 117 и 115 и отводного клапана 119, позволяющее регулировать поток отработавших газов. В третьем рабочем режиме первый четырехходовой клапан 117 и второй четырехходовой клапан можно удерживать во втором положении, а отводной клапан 119 может быть перемещен в частично открытое положение. В частично открытом положении отводного клапана 119, степень открытия клапана 119 можно регулировать в зависимости от необходимого потока отработавших газов по перепускному каналу 123 и первой ветви 104. В третьем рабочем режиме, в связи со вторым положением первого клапана 117, отработавшие газы, текущие вниз по главному выпускному каналу 203, могут сначала поступать в первую ветвь 104. В связи с частично открытым положением отводного клапана 119, первая часть отработавших газов может поступать в перепускной канал 123 и течь через теплообменник с последующим возвратом в первую ветвь 104, а также течь через турбину 116 в первом направлении (от первого конца турбины, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу турбины, ближнему к выхлопной трубе). Одновременно с этим, вторую часть отработавших газов можно направить непосредственно через турбину (также в первом направлении), в обход перепускного канала с теплообменником. Соотношение первой и второй частей можно определять в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува, при этом указанное соотношение можно регулировать путем регулирования положения отводного клапана 119. В зависимости от результата оценки соотношения первой и второй частей, можно регулировать степень открытия отводного клапана 119.
После выхода из турбины 116, отработавшие газы (объединенные первая и вторая части) текут далее вниз по первой ветви 104 в первую выпускную трубу 324. В связи со вторым положением второго клапана 115, после поступления в место 307 соединения, отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор 118 на днище кузова, расположенный во второй ветви 102, во втором направлении (от второго конца нейтрализатора на днище кузова, ближнего к выхлопной трубе, к первому концу нейтрализатора на днище кузова, ближнему к выпускному коллектору двигателя). После выхода из нейтрализатора 118 на днище кузова, отработавшие газы текут далее по второй ветви 102 к месту 305 соединения. В месте 305 соединения, отработавшие газы могут поступить во вторую впускную трубу 325. Из второй впускной трубы 325 отработавшие газы могут далее течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120, расположенный в третьей ветви 106 узла 300 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца ТКН, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу ТКН, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из ТКН 120, отработавшие газы могут далее течь вниз по третьей ветви 106 во вторую выпускную трубу 326. После поступления в место 307 соединения (по второй выпускной трубе 326), отработавшие газы могут покинуть узел 300 разветвленной выпускной системы и могут течь далее вниз к выхлопной трубе по главному выпускному каналу 303.
Узел разветвленной выпускной системы можно эксплуатировать в третьем рабочем режиме (как раскрыто выше) в состояниях высокой нагрузки двигателя. В таких обстоятельствах, направление отработавших газов по двум путям потока узла выпускной системы позволяет охладить первую часть отработавших газов до прохождения через турбину 116. Таким образом, охлаждение части отработавших газов, поступающей в турбину, позволяет лучше регулировать температуру отработавших газов, доходящих до турбины, и снизить тепловую нагрузку на турбину, что, в свою очередь, позволяет уменьшить число оборотов турбины. Снижение температуры отработавших газов, проходящих через турбину 116, позволяет уменьшить повреждение металлической части компонентов турбины. Соотношение первой и второй частей отработавших газов может зависеть от водительского запроса и/или погрешности наддува. В одном примере, в связи с возрастанием водительского запроса, первую часть можно уменьшить, а вторую -соответственно увеличить. В еще одном примере, в связи с уменьшением водительского запроса, первую часть можно увеличить, а вторую - соответственно уменьшить. В еще одном примере, когда погрешности наддува относительно велики, вторую часть можно увеличить для увеличения объема горячих отработавших газов, охлаждаемых перед поступлением в турбину, и, тем самым, уменьшения погрешности наддува. Погрешность наддува можно определять по разности необходимого и фактического наддува. Таким образом, в состояниях высокой нагрузки, показатели наддува можно поддерживать без необходимости дополнительной перепускной заслонки и канала. Таким образом, в зависимости от параметров работы двигателя и температурных потребностей каждого компонента, отработавшие газы можно направлять через все три компонента в разветвленной выпускной системе 300.
Например, переход из первого режима во второй может быть обусловлен активацией трехкомпонентного каталитического нейтрализатора 118, переход из второго режима в третий может быть обусловлен ростом запрошенного крутящего момента (например, нагрузкой двигателя выше пороговой), а переход из третьего режима в первый может быть обусловлен запросом останова двигателя. Таким образом, за счет множества многоходовых клапанов можно регулировать поток отработавших газов по разным путям потока в узле разветвленной выпускной системы, работающем в разных режимах.
Три примера режимов работы узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1, речь о которых шла выше, представлены в табличной форме на ФИГ. 6. Строка 602 таблицы 600 представляет работу узла разветвленной выпускной системы в первом режиме, раскрытом на ФИГ. 3А, строка 604 представляет работу узла разветвленной выпускной системы во втором режиме, раскрытом на ФИГ. 3В, а строка 606 представляет работу узла разветвленной выпускной системы в третьем режиме, раскрытом на ФИГ. 3С.
Пример системы 200 двигателя на ФИГ. 2 представляет собой другой вариант осуществления системы 100 двигателя на ФИГ. 1. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 1, имеют аналогичные номера и не раскрываются повторно. Как и в варианте на ФИГ. 1, система 200 двигателя на ФИГ. 2 может дополнительно содержать систему 14 управления для управления работой двигателя. Как видно из ФИГ. 2, система 200 двигателя содержит узел 250 разветвленной выпускной системы.
В данном варианте осуществления выпускной коллектор 36 может вести в узел 250 разветвленной выпускной системы, где выпускной канал 103 разделен на три отдельные ветви, каждая из которых образует отдельный путь потока. Ветви могут быть соединены друг с другом по текучей среде посредством двух четырехходовых клапанов 217 и 215 с возможностью регулирования порядка течения отработавших газов по каждому из путей потока путем регулирования положения каждого из клапанов. С каждой из ветвей узла разветвленной выпускной системы могут быть соединены отдельные компоненты выпускной системы. Например, газовая турбина 116 турбонагнетателя 13 может быть соединена с первой ветвью 204, нейтрализатор 118 на днище кузова - со второй ветвью 202, а трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120 - с третьей ветвью 206 узла 250 выпускной системы.
Первый выпускной канал 222 и второй выпускной канал 226 могут быть соединены с первой ветвью 204 выше по потоку от турбины 116. Первый выпускной канал 222 и второй выпускной канал 226 могут соединять каналы 229 отработавших газов, окружающие каждый из цилиндров 30, с первой ветвью 204. Первый трехходовой клапан 219 может быть соединен с первой ветвью 204 в месте соединения первой ветви и первого выпускного канала 222, а второй трехходовой клапан 220 может быть соединен с местом соединения второго выпускного канала 226 и каналов 229 отработавших газов. Каналы 229 отработавших газов могут быть концентричны каналам 127 охлаждающей жидкости таким образом, что при протекании отработавших газов по каналам 229 отработавших газов, возможна передача тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости, текущей по соответствующим каналам. Отработавшие газы из первой ветви 204 могут быть направлены по каналам 229 отработавших газов через первый выпускной канал 222, а после протекания по каналам 229 отработавших газов, отработавшие газы могут вновь поступить в первую ветвь 204 через второй выпускной канал 226. Линия 224 охлаждающей жидкости может быть соединена с каналами 127 охлаждающей жидкости посредством второго трехходового клапана 220. Насос 230 охлаждения, емкость 232 охлаждающей жидкости и радиатор 234 могут быть расположены в линии 224 охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость из емкости 232 охлаждающей жидкости может циркулировать по линии 224 охлаждающей жидкости и каналам 127 охлаждающей жидкости с помощью насоса 230. В состояниях, когда тепло отработавших газов не нужно для повышения температуры двигателя, тепло можно рассеивать в атмосферу через радиатор 234.
Форсунка 221 может быть соединена с первой ветвью 204 выше по потоку от первого трехходового клапана 219. Для снижения температуры отработавших газов до необходимой перед их поступлением в турбину, в поток отработавших газов можно впрыскивать охлаждающую текучую среду, например, холодную воду.
В состояниях холодного пуска (первое состояние) клапаны 217, 215, 219 и 220 можно отрегулировать для направления отработавших газов сначала по третьей ветви 206, вмещающей трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120, затем по второй ветви 202, вмещающей нейтрализатор 118 на днище кузова, затем через каналы 229 отработавших газов, и в последнюю очередь по первой ветви 104, вмещающей турбину 116. Направление горячих отработавших газов сначала через каталитический нейтрализатор, перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет эффективно осуществлять передачу тепла каталитическому нейтрализатору для ускорения достижения активации каталитического нейтрализатора. Направление горячих отработавших газов по каналам 229 отработавших газов позволяет эффективно осуществлять передачу тепла отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей по каналам 127 охлаждающей жидкости, и за счет отобранного (из отработавших газов) тепла нагревать стенки и поршни цилиндров. Нагрев стенок и поршней цилиндров позволяет снизить выбросы углеводородов при холодном пуске. Направление отработавших газов через турбину 116 позволяет осуществлять наддув двигателя даже в состояниях холодного пуска. После активации каталитического нейтрализатора (второе состояние), клапаны 217, 215, 219 и 220 можно отрегулировать для направления отработавших газов сначала по первой ветви 204, вмещающей турбину 116, затем по второй ветви 202, вмещающей нейтрализатор 118 на днище кузова, а затем по третьей ветви 106, вмещающей трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов через турбину 116 перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет уменьшить турбояму. Кроме того, это позволяет снизить температуру отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор 120, и, тем самым, повысить коэффициент нейтрализации каталитического нейтрализатора. В это время, поскольку температура двигателя возросла сверх пороговой (в связи с чем происходит активация каталитического нейтрализатора), рекуперация тепла отработавших газов для нагрева цилиндров и поршней может быть больше не нужна, поэтому отработавшие газы можно не направлять по каналам 229 отработавших газов. В состояниях высокой нагрузки двигателя (третье состояние), можно продолжить направление отработавших газов сначала по первой ветви 204, вмещающей турбину 116, затем по второй ветви 202, вмещающей нейтрализатор 118 на днище кузова, а затем по третьей ветви 106, вмещающей трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120. При этом, для снижения температуры отработавших газов, поступающих в турбину, в поток отработавших газов выше по потоку от турбины можно впрыскивать охлаждающую текучую среду, например, воду, посредством форсунки 221. Таким образом, охлаждение отработавших газов, поступающих в турбину, позволяет снизить тепловую нагрузку на турбину, что позволяет уменьшить число оборотов турбины и, в свою очередь, вероятность повреждения металлической части компонентов турбины. Все нейтрализованные отработавшие газы или их часть, выходящие из узла 250 разветвленной выпускной системы, могут течь вниз по направлению потока в выпускном канале 103 с возможностью сброса в атмосферу через выхлопную трубу 105 после прохождения через глушитель 172. Детальное описание работы и конструкции узла 250 разветвленной выпускной системы будет раскрыто на примерах ФИГ. 4А, 4В, 4С, 8, 9 и 10.
На ФИГ. 4А более подробно раскрыт узел разветвленной выпускной системы, представленный на ФИГ. 2, и изображен пример 400 осуществления эксплуатации узла разветвленной выпускной системы в первом рабочем режиме. В одном примере узел 400 является одним из вариантов осуществления узла 250 на ФИГ. 2, в связи с чем может иметь те же признаки и/или конфигурации, что уже раскрыты для узла 250 разветвленной выпускной системы.
Узел 400 разветвленной выпускной системы расположен на главном выпускном канале 403 ниже по потоку от выпускного коллектора двигателя и выше по потоку от выхлопной трубы. В месте 405 соединения главный выпускной канал 403 может быть разделен на три отдельные ветви, каждая из которых образует отдельный путь потока. Первый четырехходовой клапан 217 может быть соединен с главным выпускным каналом 403 на первом конце (ближнем к выпускному коллектору) каждой из трех ветвей, а именно - в месте 405 соединения. Клапан 217 выполнен с возможностью установки в одно из двух разных положений для регулирования направления потока отработавших газов по трем ветвям в зависимости от параметров работы двигателя. Второй четырехходовой клапан 215 может быть соединен с главным выпускным каналом 403 на втором конце (ближнем к выхлопной трубе) каждой трех ветвей (в месте 307 соединения). Клапан 215 выполнен с возможностью установки в два разных положения для регулирования направления потока отработавших газов по трем ветвям в зависимости от параметров работы двигателя. Клапаны 217 и 215 соединяют по текучей среде указанные три ветви и выполнены с возможностью координированного приведения в действие для обеспечения необходимого потока отработавших газов через узел 400 разветвленной выпускной системы.
Первая впускная труба 423 может брать начало в главном выпускном канале 403 в месте 405 соединения. Первая впускная труба 423 может вести в первую ветвь 204. Турбина 116 может быть расположена в первой ветви 204. В одном примере турбина 116 может представлять собой турбину с изменяемой геометрией. Первая выпускная труба 324 может брать начало в первой ветви 204 ниже по потоку от турбины 116 и заканчиваться в месте 407 соединения узла 400 выпускной системы. Первый выпускной канал 222 и второй выпускной канал 226 могут быть соединены с первой ветвью 204 выше по потоку от турбины. Первый трехходовой клапан 219 может быть соединен с первой ветвью 204 в месте соединения первой ветви 204 и первого выпускного канала 222. Первый выпускной канал 222 и второй выпускной канал 226 могут быть соединены с каналами 229 отработавших газов. Каналы отработавших газов могут быть концентричны каналам охлаждающей жидкости (например, каналам 127 охлаждающей жидкости на ФИГ. 2), могущим окружать цилиндры двигателя. Охлаждающая жидкость может течь в каналы охлаждающей жидкости по линии 224 охлаждающей жидкости. Второй трехходовой клапан 220 может быть соединен со вторым выпускным каналом 226 в месте соединения второго выпускного канала 226 и каналов 229 отработавших газов. Каждый из трехходовых клапанов 219 и 220 выполнен с возможностью установки в два разных положения для регулирования потока отработавших газов по каналам 229 отработавших газов.
Часть главного выпускного канала 403 может образовывать вторую ветвь 202. Вторая ветвь (путь потока) 202 может брать начало в месте 405 соединения и может заканчиваться (сливаться с главным выпускным каналом 403) в месте 407 соединения. Нейтрализатор 118 на днище кузова может быть расположен во второй ветви 202. В другом варианте осуществления, для дизельного двигателя, во второй ветви 202 может быть расположен фильтр твердых частиц дизельного двигателя (ФТЧДД) или устройство избирательного каталитического восстановления (ИКВ). Вторая впускная труба 425 может брать начало в главном выпускном канале 403 в месте 405 соединения. Вторая впускная труба 425 может вести в третью ветвь 206. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120 может быть расположен в третьей ветви 206. Ниже по потоку от каталитического нейтрализатора 120, вторая выпускная труба 426 может брать начало в ветви 206 и заканчиваться в месте 407 соединения узла выпускной системы. В другом варианте осуществления, для дизельного двигателя, в третьей ветви 206 может быть расположен окислительный каталитический нейтрализатор дизельного двигателя. Три ветви (пути потока) 204, 202 и 206 могут быть по существу параллельны друг другу.
В зависимости от параметров работы двигателя и температурных потребностей каждого из компонентов выпускной системы (турбины, нейтрализатора на днище кузова и каталитического нейтрализатора), порядок течения отработавших газов через каждый из компонентов можно регулировать без необходимости направления их в обход какого-либо из компонентов. В зависимости от положения клапанов 117, 115, 119 и 220, отработавшие газы можно направлять из главного выпускного канала 303 по каждой из ветвей узла 400 выпускной системы (в разном порядке). Узел 400 выпускной системы можно эксплуатировать в трех рабочих режимах.
Первый рабочий режим представляет первое заданное положение четырехходовых клапанов 217 и 215 и трехходовых клапанов 219 и 220, позволяющее регулировать поток отработавших газов. В первом рабочем режиме первый четырехходовой клапан 217 может находиться в первом положении, второй четырехходовой клапан 215 может находиться в первом положении, первый трехходовой клапан 219 может находиться в первом положении и второй трехходовой клапан 219 также может находиться в первом положении. В первом рабочем режиме, в связи с первым положением первого клапана 217, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу 403, может поступать во вторую впускную трубу 425 в месте 405 соединения. Из второй впускной трубы 425 отработавшие газы могут далее течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120, расположенный в третьей ветви 206 узла 400 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца ТКН, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу ТКН, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из ТКН 120, отработавшие газы текут далее вниз по третьей ветви 106 во вторую выпускную трубу 426. В связи с первым положением второго клапана 115, после поступления в место 407 соединения отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор 118 на днище кузова, расположенный во второй ветви 102, во втором направлении (от второго конца нейтрализатора на днище кузова, ближнего к выхлопной трубе, к первому концу нейтрализатора на днище кузова, ближнему к выпускному коллектору двигателя). В данном случае, второе направление противоположно первому направлению потока отработавших газов. После выхода из нейтрализатора 118 на днище кузова отработавшие газы текут далее по второй ветви 402 к месту 405 соединения. В месте 405 соединения, отработавшие газы могут вновь поступить в первую впускную трубу 423. Из первой впускной трубы 423, отработавшие газы могут поступить в первую ветвь 404. В связи с первым положением первого трехходового клапана 119, отработавшие газы могут не течь далее вниз по первой ветви 104, и могут быть направлены в первый выпускной канал 222. В связи с первым положением второго трехходового клапана 220, отработавшие газы из первого выпускного канала 222 могут циркулировать по каналам 229 отработавших газов с последующим возвратом в первую ветвь 204 через второй выпускной канал 226. Во время течения отработавших газов по каналам 229 отработавших газов, охлаждающая жидкость может циркулировать по линии 224 охлаждающей жидкости и контуру охлаждающей жидкости, окружающему цилиндры, для отбора тепла из отработавших газов.
После возврата в первую ветвь 204, отработавшие газы могут далее течь через турбину 116, расположенную в первой ветви 104 узла 400 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца турбины, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу турбины, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из турбины 116, отработавшие газы могут течь далее вниз по первой ветви 104 в первую выпускную трубу 424. После поступления в место 407 соединения (по первой выпускной трубе 424), отработавшие газы могут покинуть узел 400 разветвленной выпускной системы и могут течь далее вниз к выхлопной трубе по главному выпускному каналу 403.
Узел разветвленной выпускной системы можно эксплуатировать в первом рабочем режиме (как раскрыто выше) в состояниях холодного пуска. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через ТКН 120, перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы (турбину 116 и нейтрализатор 118 на днище кузова), позволяет эффективно осуществлять передачу тепла отработавших газов каталитическому нейтрализатору, ускоряя активацию каталитического нейтрализатора. Таким образом, за счет горячих отработавших газов можно эффективно повышать температуру ТКН, снижая необходимость в запаздывании зажигания и, тем самым, повышая топливную экономичность двигателя. Более быстрое достижение температуры активации ТКН 120 позволяет улучшить качество выбросов. Направление отработавших газов по каналам 229 отработавших газов позволяет рекуперировать тепло из отработавших газов и за его счет нагревать стенки и поршни цилиндров, что позволяет снижать выбросы углеводородов при холодном пуске. Кроме того, направление отработавших газов через турбину 116 в состояниях холодного пуска позволяет сократить задержки в раскрутке турбины и, тем самым, уменьшить турбояму и улучшить показатели наддува.
ФИГ. 4В изображает схематический вид 450 примера осуществления блока 400 перепуска отработавших газов во втором рабочем режиме. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 4А, имеют аналогичные номера и не раскрываются повторно.
Второй рабочий режим представляет второе заданное положение четырехходовых клапанов 417 и 415 и трехходовых клапанов 419 и 420, позволяющее регулировать поток отработавших газов. Во втором рабочем режиме первый четырехходовой клапан 217 может находиться во втором положении, второй четырехходовой клапан 215 может находиться во втором положении, первый трехходовой клапан 219 может находиться во втором положении и второй трехходовой клапан 220 также может находиться во втором положении. Во втором рабочем режиме, в связи со вторым положением первого клапана 217, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу 403, может поступать в первую впускную трубу 423 в месте 405 соединения. В связи со вторым положением трехходового клапана 219, вход в первый выпускной канал 222 может быть блокирован, и отработавшие газы могут не поступать в первый выпускной канал 222. Поэтому из первой впускной трубы 423 отработавшие газы могут далее течь через турбину 116, расположенную в первой ветви 204 узла 400 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца турбины, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу турбины, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из турбины 116, отработавшие газы далее текут вниз по первой ветви 204 в первую выпускную трубу 424. В связи со вторым положением второго клапана 215, после поступления в место 407 соединения, отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор 118 на днище кузова, расположенный во второй ветви 202, во втором направлении (от второго конца нейтрализатора на днище кузова, ближнего к выхлопной трубе, к первому концу нейтрализатора на днище кузова, ближнему к выпускному коллектору двигателя). После выхода из нейтрализатора 118 на днище кузова, отработавшие газы текут далее по второй ветви 202 к месту 405 соединения. В месте 405 соединения, отработавшие газы могут поступить во вторую впускную трубу 425. Из второй впускной трубы 425 отработавшие газы могут течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120, расположенный в третьей ветви 206 узла 400 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца ТКН, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу ТКН, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из ТКН 120, отработавшие газы могут далее течь вниз по третьей ветви 206 во вторую выпускную трубу 426. После поступления в место 407 соединения (по второй выпускной трубе 426), отработавшие газы могут покинуть узел 400 разветвленной выпускной системы и могут течь далее вниз к выхлопной трубе по главному выпускному каналу 403.
Узел разветвленной выпускной системы можно эксплуатировать во втором рабочем режиме (как раскрыто выше) после полной активации ТКН 120 (после достижения температуры активации), когда рекуперация тепла отработавших газов может быть больше не нужна для повышения температуры двигателя. В это время нагрузка двигателя может быть низкой/умеренной, а температура двигателя может быть относительно высокой. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через турбину 116 позволяет улучшить показатели наддува в области нагрузки от низкой до средней. После того, как отработавшие газы пройдут через турбину 116, температура отработавших газов может упасть. В связи с особенностями покрытия на поверхности каталитического нейтрализатора, коэффициент нейтрализации ТКН 120 может быть выше при более низких температурах отработавших газов. Поэтому низкотемпературные отработавшие газы, поступающие в ТКН 120 (после прохождения через турбину 216), могут обеспечить оптимальные показатели работы ТКН 120.
ФИГ. 4С изображает схематический вид 480 примера осуществления блока 400 перепуска отработавших газов в третьем рабочем режиме. Третий рабочий режим представляет третье заданное положение четырехходовых клапанов 117 и 115 и трехходовых клапанов 419 и 420, позволяющее регулировать поток отработавших газов. В третьем рабочем режиме первый четырехходовой клапан 217 может находиться во втором положении, второй четырехходовой клапан 215 может находиться во втором положении, первый трехходовой клапан 219 может находиться во втором положении, и второй трехходовой клапан 220 может также находиться во втором положении. В третьем рабочем режиме, в связи со вторым положением первого клапана 217, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу 403 может поступать в первую впускную трубу 423 в месте 405 соединения. В связи со вторым положением трехходового клапана 219, вход в первый выпускной канал 222 может быть блокирован, и отработавшие газы могут не поступать в первый выпускной канал 222. Выше по потоку от турбины можно впрыскивать охлаждающую текучую среду в поток отработавших газов посредством форсунки 221. В одном примере охлаждающая текучая среда может представлять собой холодную воду. Охлаждающая текучая среда может понижать температуру отработавших газов, поступающих в турбину. Более холодные отработавшие газы могут течь далее через турбину 116, расположенную в первой ветви 204 узла 400 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца турбины, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу турбины, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из турбины 116, отработавшие газы далее текут вниз по первой ветви 204 в первую выпускную трубу 424. В связи со вторым положением второго клапана 215, после поступления в место 407 соединения, отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор 118 на днище кузова, расположенный во второй ветви 202, во втором направлении (от второго конца нейтрализатора на днище кузова, ближнего к выхлопной трубе, к первому концу нейтрализатора на днище кузова, ближнему к выпускному коллектору двигателя). После выхода из нейтрализатора 118 на днище кузова, отработавшие газы текут далее по второй ветви 202 к месту 405 соединения. В месте 405 соединения, отработавшие газы могут поступить во вторую впускную трубу 425. Из второй впускной трубы 425 отработавшие газы могут течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 120, расположенный в третьей ветви 206 узла 400 выпускной системы, в первом направлении (от первого конца ТКН, ближнего к выпускному коллектору двигателя, ко второму концу ТКН, ближнему к выхлопной трубе). После выхода из ТКН 120, отработавшие газы могут далее течь вниз по третьей ветви 206 во вторую выпускную трубу 426. После поступления в место 407 соединения (по второй выпускной трубе 426), отработавшие газы могут покинуть узел 400 разветвленной выпускной системы и могут течь далее вниз к выхлопной трубе по главному выпускному каналу 403.
Узел разветвленной выпускной системы можно эксплуатировать в третьем рабочем режиме (как раскрыто выше) в состояниях высокой нагрузки двигателя. В таких обстоятельствах, охлаждение отработавших газов, поступающих в турбину, позволяет снизить тепловую нагрузку на турбину, что, в свою очередь, позволяет уменьшить число оборотов турбины и вероятность повреждения металлической части компонентов турбины. Таким образом, в зависимости от параметров работы двигателя и температурных потребностей каждого компонента, отработавшие газы можно направлять через все три компонента в разветвленной выпускной системе 400.
В примерах режимов на ФИГ. 4А-4С, переход из первого режима во второй может происходить в связи с активацией трехкомпонентного каталитического нейтрализатора 118, переход из второго режима в третий может происходить в связи с ростом запрошенного крутящего момента (например, нагрузкой двигателя выше пороговой), а переход из третьего режима в первый может быть осуществлен в связи с запросом останова двигателя.
Три примера режимов работы узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 2, речь о которых шла выше, представлены в табличной форме на ФИГ. 9. Строка 902 таблицы 900 представляет работу узла разветвленной выпускной системы в первом режиме, раскрытом на ФИГ. 4А, строка 904 представляет работу узла разветвленной выпускной системы во втором режиме, раскрытом на ФИГ. 4В, а строка 906 представляет работу узла разветвленной выпускной системы в третьем режиме, раскрытом на ФИГ. 4С.
Таким образом, на ФИГ. 1, 2, 3А-3С и ФИГ. 4А-4С предложена система двигателя, содержащая: двигатель, содержащий выпускной коллектор, датчик положения педали, узел разветвленной выпускной системы с первой ветвью, второй ветвью и третьей ветвью, перепускным каналом, первым клапаном, вторым клапаном и третьим клапаном, турбонагнетатель с турбиной, соединенной с первой ветвью узла разветвленной выпускной системы, при этом турбина соединена с компрессором, нейтрализатор на днище кузова, соединенный со второй ветвью узла выпускной системы, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, соединенный с третьей ветвью узла выпускной системы, теплообменник, соединенный с перепускным каналом, при этом теплообменник соединен по текучей среде с системой охлаждения двигателя, датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, соединенный с системой охлаждения двигателя, и контроллер с машиночитаемыми инструкциями, хранимыми в долговременной памяти, для: оценки температуры двигателя и нагрузки двигателя посредством датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя и/или датчика положения педали, выбора порядка направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в зависимости от результатов оценки температуры двигателя и нагрузки двигателя, и приведения в действие первого клапана, второго клапана и третьего клапана для направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по первой ветви, второй ветви и третьей ветви согласно выбранному порядку направления отработавших газов.
ФИГ. 5 иллюстрирует пример способа 500 с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов по разным путям потока узла разветвленной выпускной системы, например, узла на ФИГ. 1 и ФИГ. 3А-3С. Инструкции для реализации способа 500 и остальных раскрытых в настоящем описании способов может осуществлять контроллер в соответствии с инструкциями в памяти контроллера и во взаимосвязи с сигналами, полученными от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примере ФИГ. 1. Контроллер может задействовать исполнительные устройства системы двигателя для регулирования работы двигателя в соответствии с раскрытыми ниже способами.
На шаге 502 алгоритм предусматривает оценку и/или измерение текущих параметров работы двигателя. В число оцениваемых параметров могут входить, например, температура двигателя, нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, разрежение в коллекторе, положение дросселя, давление отработавших газов, воздушно-топливное отношение отработавших газов и т.п.
На шаге 504 алгоритма определяют, работает ли двигатель транспортного средства в состояниях холодного пуска. Наличие состояния холодного пуска двигателя может быть установлено, если двигатель запускают после продолжительного периода бездействия двигателя, когда температура двигателя ниже того или иного порога. В основе указанного порога может лежать температура активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, расположенного в ветви узла выпускной системы (например, узла 300 выпускной системы на ФИГ. 3А). До достижения температуры активации, каталитический нейтрализатор может не функционировать эффективно, в связи с чем в это время возрастают выбросы. Наличие состояний холодного пуска также можно устанавливать на основании того, что температура окружающей среды ниже пороговой.
Для ускорения достижения температуры активации каталитического нейтрализатора в состояниях холодного пуска, горячие отработавшие газы могут быть сначала направлены через каталитический нейтрализатор вместо направления их через турбину, могущую действовать как поглотитель тепла (снижая температуру отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор), кроме того, в это время может быть нужен нагрев цилиндров и поршней двигателя. То есть, если наличие состояний холодного пуска двигателя будет подтверждено, алгоритм следует на шаг 506 для эксплуатации узла выпускной системы в первом рабочем режиме. Работа в первом режиме, раскрытом на примере ФИГ. 3А, включает в себя перемещение первого четырехходового клапана или клапана_1 (например, клапана 117 на ФИГ. 3А) в выпускном канале выше по потоку от узла выпускной системы в первое положение и перемещение второго четырехходового клапана или клапана_2 (например, клапана 115 на ФИГ. 3А) в выпускном канале ниже по потоку от узла выпускной системы в первое положение. Отводной клапан или клапан_3 (например, клапан 119 на ФИГ. 3А), соединенный с первой ветвью в месте соединения с перепускным каналом, может быть установлен в полностью открытое положение.
На шаге 508, в связи с установкой узла выпускной системы в первый рабочий режим, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу, может поступать во впускную (вторую) трубу (например, вторую впускную трубу 325 на ФИГ. 3А) и далее течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) (например, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120 на ФИГ. 3А), расположенный в третьей ветви (например, третьей ветви 106 на ФИГ. 3А) узла выпускной системы. В ТКН, тепло от отработавших газов можно использовать для повышения температуры ТКН. Ускорение достижения температуры активации ТКН позволяет улучшить качество выбросов. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут далее течь вниз по третьей ветви в выпускную (вторую) трубу (например, вторую выпускную трубу 326 на ФИГ. 3А). Оттуда отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор на днище кузова (например, нейтрализатор 118 на днище кузова на ФИГ. 3А), расположенный во второй ветви (например, второй ветви 102 на ФИГ. 3А) узла выпускной системы. После выхода из нейтрализатора на днище кузова, отработавшие газы могут течь через теплообменник (например, теплообменник 122 на ФИГ. 3А), расположенный в перепускном канале (например, перепускном канале 123 на ФИГ. 3А), а затем течь через турбину (например, турбину 116 на ФИГ. 3А), расположенную в первой ветви (например, первой ветви 104 на ФИГ. 3А) узла выпускной системы, по впускной (первой) трубе (например, первой впускной трубе 323 на ФИГ. 3А). Направление отработавших газов через турбину позволяет создавать наддув двигателя даже в состояниях холодного пуска. После выхода из турбины, отработавшие газы могут течь далее вниз по первой ветви в выпускную (первую) трубу (например, первую выпускную трубу 324 на ФИГ. 3А) и оттуда за пределы узла выпускной системы.
Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через ТКН, перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы (турбину и нейтрализатор на днище кузова), позволяет эффективно осуществлять передачу тепла отработавших газов каталитическому нейтрализатору, ускоряя активацию каталитического нейтрализатора. Таким образом, за счет горячих отработавших газов можно эффективно повысить температуру ТКН без необходимости запаздывания зажигания и, тем самым, повысить топливную экономичность двигателя. Направление отработавших газов через теплообменник позволяет рекуперировать тепло из отработавших газов охлаждающей жидкостью, циркулирующей через теплообменник, а за счет рекуперированного тепла отработавших газов можно нагревать стенки и поршни цилиндров. Повышение температуры стенок и поршней цилиндров позволяет снизить выбросы углеводородов из двигателя. Кроме того, направление отработавших газов через турбину позволяет сократить задержку раскрутки турбины и, тем самым, уменьшить турбояму и улучшить показатели наддува. После выхода из узла выпускной системы на шаге 510, отработавшие газы могут течь к выхлопной трубе. После прохождения через глушитель, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу.
Если будет установлено (на шаге 504), что двигатель не работает в состояниях холодного пуска, можно сделать вывод о том, что каталитический нейтрализатор достиг температуры активации и эффективно функционирует для снижения токсичности выбросов. На шаге 512 алгоритма определяют, превышает ли нагрузка двигателя пороговую. Пороговая нагрузка может соответствовать пиковой нагрузке двигателя, при превышении которой вероятно повреждение компонентов турбины из-за возросшего объема горячих отработавших газов, текущих через турбину.
Если нагрузка двигателя ниже пороговой, алгоритм следует на шаг 514 для эксплуатации узла выпускной системы во втором рабочем режиме. Работа во втором режиме, раскрытом на примере ФИГ. 3В, включает в себя перемещение первого четырехходового клапана (клапана_1) во второе положение, перемещение второго четырехходового клапана (клапана_2) во второе положение и установку отводного клапана (клапана_3) в полностью закрытое положение.
На шаге 516, в связи с установкой узла выпускной системы во второй рабочий режим, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу, может поступать в первую впускную трубу и течь далее через турбину, расположенную в первой ветви узла выпускной системы. Направление горячих отработавших газов через турбину позволяет создавать необходимый наддув для двигателя. Кроме того, при протекании отработавших газов через турбину, их температура падает. После выхода из турбины, отработавшие газы далее текут вниз по первой ветви в первую выпускную трубу. Оттуда отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор на днище кузова, расположенный во второй ветви. После выхода из нейтрализатора на днище кузова, отработавшие газы могут далее течь к ТКН, расположенному в третьей ветви, по второй впускной трубе. Температура отработавших газов, проходящих через ТКН, ниже, чем температура отработавших газов, поступающих в турбину в данном режиме, что обеспечивает оптимальное функционирование ТКН. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут покинуть узел разветвленной выпускной системы по второй выпускной трубе.
Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через турбину позволяет улучшить показатели наддува, а также снизить температуру отработавших газов. В связи с особенностями покрытия на поверхности каталитического нейтрализатора, низкотемпературные отработавшие газы могут обеспечить более высокий коэффициент нейтрализации ТКН. После выхода из узла выпускной системы (эксплуатируемого во втором режиме) на шаге 522, отработавшие газы могут течь к выхлопной трубе. После прохождения через глушитель, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу.
Если будет установлено (на шаге 512), что нагрузка двигателя выше пороговой, алгоритм следует на шаг 518 для эксплуатации узла выпускной системы в третьем рабочем режиме. Эксплуатация в третьем режиме, раскрытом на примере ФИГ. 3С, включает в себя удержание первого четырехходового клапана (клапана_1) и второго четырехходового клапана (клапана_2) во втором положении и регулирование прохода отводного клапана для изменения соотношения горячих и холодных отработавших газов, пропускаемых через турбину. Регулирование прохода отводного клапана включает в себя перемещение отводного клапана (клапана_3) в частично открытое положение. В одном примере клапан_3 может быть бесступенчато-регулируемым, и в третьем положении степень открытия клапана_3 можно отрегулировать в зависимости от целевой доли отработавших газов, которая должна быть перенаправлена через теплообменник перед направлением через турбину, при этом целевую долю определяют в зависимости от отношения текущего и необходимого давления наддува (то есть погрешности наддува), при этом необходимое давление наддува зависит от частоты вращения и нагрузки двигателя и запрошенного водителем крутящего момента.
На шаге 520, в связи с установкой узла выпускной системы в третий рабочий режим, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу, может поступать в первую ветвь по первой впускной трубе. Первая часть отработавших газов может поступать в перепускной канал и течь через теплообменник, где может происходить передача тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник. После выхода из теплообменника, отработавшие газы могут вновь поступать в первую ветвь выше по потоку от турбины, а затем течь через турбину. Вторая (остальная) часть отработавших газов может течь непосредственно через турбину. Первая и вторая части отработавших газов могут соединяться выше по потоку от турбины и течь вниз по первой ветви в первую выпускную трубу. Оттуда отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор на днище кузова, расположенный во второй ветви. После выхода из нейтрализатора на днище кузова, отработавшие газы могут далее течь к ТКН, расположенному в третьей ветви, по второй впускной трубе. Температура отработавших газов, проходящих через ТКН, может быть ниже, что обеспечивает оптимальное функционирование ТКН. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут покинуть узел разветвленной выпускной системы по второй выпускной трубе. Направление отработавших газов по нескольким путям потока в узле выпускной системы позволяет понизить температуру отработавших газов, текущих через турбину, и, тем самым, снизить вероятность погрешности наддува и сбоя в работе металлических компонентов турбины в состояниях высокой нагрузки двигателя.
Соотношение доли отработавших газов, направляемых через теплообменник для охлаждения перед поступлением в турбину, и доли отработавших газов, направляемых непосредственно в турбину без прохождения через теплообменник, можно определять в зависимости от параметров работы двигателя и потребности в наддуве. То есть соотношение первой и второй частей отработавших газов может зависеть от таких параметров, как запрошенный водителем крутящий момент и погрешность наддува. В одном примере степень открытия отводного клапана можно уменьшать по мере роста водительского запроса. Уменьшение прохода клапана_3 позволяет уменьшить первую часть, состоящую из охлажденных отработавших газов, подаваемую в турбину, относительно второй части, состоящей из горячих отработавших газов, подаваемой в турбину, и, тем самым, сократить сроки раскрутки турбины и время до достижения необходимого крутящего момента. В состояниях с более низким водительским запросом, степень открытия отводного клапана (клапана_3) можно увеличить для направления большего объема охлажденных отработавших газов в турбину через теплообменник. Это позволяет быстрее уменьшить число оборотов турбины и создаваемый наддув, а также снизить необходимость в дополнительном регулировании наддува. В одном примере изменение соотношения охлажденных и горячих отработавших газов снижает необходимость наличия клапана-регулятора давления наддува в системе двигателя, тем самым создавая преимущества в части снижения себестоимости и сложности управления за счет уменьшения числа компонентов. В качестве еще одного примера, в состояниях, когда имеет место погрешность наддува из-за того, что необходимый наддув ниже фактического (например, во время отпускания педали акселератора), первую часть, состоящую из охлажденных отработавших газов, направляемую через турбину, можно увеличить путем увеличения прохода отводного клапана для быстрого уменьшения погрешности наддува и предотвращения помпажа в компрессоре.
После выхода из узла выпускной системы (эксплуатируемого в третьем режиме), на шаге 522 возможно объединение первой и второй частей отработавших газов выше по потоку от турбины с возможностью направления объединенного потока к выхлопной трубе после прохождения через турбину. После прохождения через глушитель в выхлопной трубе, весь объем отработавших газов может быть сброшен в атмосферу.
Таким образом, первый четырехходовой клапан, второй четырехходовой клапан и отводной клапан можно регулировать для направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по первой ветви, второй ветви и третьей ветви, причем порядок направления потока отработавших газов зависит от температуры двигателя и нагрузки двигателя.
На ФИГ. 7 раскрыт пример рабочей последовательности 700, иллюстрирующей работу узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 1. Направление потока отработавших газов по разным путям потока с разными компонентами определяют в зависимости от параметров работы двигателя и температурной потребности каждого компонента. По горизонтали (оси х) обозначено время, а вертикальные метки t1-t5 обозначают значимые моменты в работе системы блока перепуска отработавших газов.
Первый график (линия 704) представляет изменение результата оценки нагрузки двигателя с помощью датчика положения педали относительно пороговой нагрузки (точечная линия 705). Второй график (линия 706) представляет изменение результата оценки температуры двигателя датчиком температуры охлаждающей жидкости двигателя относительно пороговой температуры (точечная линия 707). Третий график (линия 708) представляет изменение числа оборотов турбины во времени. Точечная линия 709 представляет число оборотов турбины, когда поток отработавших газов через турбину не регулируют посредством узла разветвленной выпускной системы. Точечная линия 710 обозначает пороговое число оборотов турбины, при превышении которого могут пострадать металлические компоненты турбины. Четвертый график (линия 712) представляет положение первого четырехходового клапана (клапана_1), соединенного с выпускным каналом выше по потоку от узла разветвленной выпускной системы. Пятый график (линия 714) представляет положение второго четырехходового клапана (клапана_2), соединенного с выпускным каналом ниже по потоку от узла разветвленной выпускной системы. Шестой график (линия 716) представляет проход бесступенчато-регулируемого отводного клапана (клапана_3), соединенного с первой ветвью разветвленной системы в месте соединения с перепускным каналом.
До момента t1 происходит пуск двигателя из неподвижного состояния после периода бездействия, во время которого транспортное средство не приводили в движение. Пуск двигателя может происходить в состояниях холодного пуска, так как температура двигателя ниже пороговой температуры 707. В это время двигатель может работать с нагрузкой ниже пороговой (ниже пороговой нагрузки 705). При температуре ниже пороговой, двигатель может не быть достаточно прогрет для активации ТКН. В связи с состоянием холодного пуска, ТКН (например, ТКН 120 на ФИГ. 1), соединенный с третьей ветвью узла выпускной системы, может еще не достичь своей температуры активации. Для ускорения прогрева каталитического нейтрализатора, контроллер может установить первый клапан (клапан_1) и второй клапан (клапан_2) в их соответствующие первые положения для направления горячих отработавших газов сначала через ТКН. В выбранном заданном положении клапанов, весь объем горячих отработавших газов может течь сначала через ТКН, причем за счет тепла от отработавших газов можно повысить температуру ТКН. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут течь через нейтрализатор на днище кузова (например, нейтрализатор 118 на днище кузова на ФИГ. 1), соединенный со второй ветвью узла выпускной системы. Кроме того, отводной клапан (клапан_3) может быть установлен в полностью открытое положение для направления всего количества отработавших газов через теплообменник, соединенный с перепускным каналом, перед тем, как они будут направлены через турбину. Тепло от отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник. Циркуляция нагретой охлаждающей жидкости происходит через блок цилиндров двигателя, в том числе вокруг стенок и поршней цилиндров, с соответствующим ростом температуры двигателя. После протекания через теплообменник, отработавшие газы могут течь через турбину (например, турбину 116 на ФИГ. 1). В результате, турбина может начать набирать обороты, и число оборотов турбины постепенно растет.
В момент t1 температура двигателя может превысить пороговую температуру (707), что указывает на то, что ТКН достиг температуры активации и активирован. В это время дальнейший нагрев двигателя может не быть нужен. Для направления отработавших газов с более низкой температурой через ТКН (для повышения коэффициентов нейтрализации в ТКН) с одновременным созданием необходимого наддува, первый клапан (клапан_1) и второй клапан (клапан_2) могут быть перемещены в соответствующие вторые положения. Отводной клапан (клапан_3) может быть установлен в полностью закрытое положение. Между моментами t1 и t2, в связи с нахождением клапанов в этих заданных положениях, весь объем горячих отработавших газов может течь сначала через турбину (без прохождения через теплообменник), где отработавшие газы можно использовать для дополнительной раскрутки турбины и удовлетворения потребности в наддуве. Если бы отработавшие газы не были направлены через турбину в состоянии холодного пуска, раскрутка турбины не произошла бы до t1 (как видно из графика 709), и время до достижения необходимого числа оборотов турбины (соответствующего необходимому наддуву), было бы больше. Таким образом, начало раскрутки турбины до момента t1 позволяет сократить время до достижения необходимого крутящего момента. Температура отработавших газов, поступающих в ТКН, может быть ниже, так как отработавшие газы поступают в ТКН после протекания через турбину. Это позволяет обеспечить оптимальное функционирование ТКН. Кроме того, регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов через турбину перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет уменьшить турбояму.
В момент t2 имеет место рост нагрузки двигателя сверх пороговой в связи с возрастанием водительского запроса. Из-за относительно высокой нагрузки между моментами t2 и t3, температура и объем отработавших газов могут существенно возрасти, при этом весь объем горячих отработавших газов может не быть направлен через турбину для уменьшения погрешности наддува и предотвращения повреждения компонентов турбонагнетателя. Поэтому в это время, для направления отработавших газов одновременно по двум путям потока, проход отводного клапана (клапана_3) можно отрегулировать для перенаправления первой части отработавших газов из первой ветви в перепускной канал и через теплообменник для снижения температуры первой части отработавших газов. Одновременно с этим, вторая (остальная) часть отработавших газов может течь непосредственно через турбину. После прохождения через теплообменник, происходит возврат первой части в первую ветвь и ее смешивание со второй частью, состоящей из горячих отработавших газов, в первой ветви с последующим направлением смешанного потока через турбину. Так как температура первой части отработавших газов, поступающих в турбину, снижена, температура смеси отработавших газов, поступающих в турбину, также снижена. Это позволяет уменьшить число оборотов турбины и удерживать его ниже порогового с одновременным созданием необходимого давления наддува. Соотношение первой и второй частей отработавших газов может зависеть от таких параметров, как водительский запрос и погрешность наддува. Степень открытия клапана_3 можно регулировать в зависимости от результата оценки указанного соотношения. Так, при падении водительского запроса и росте давления наддува (когда фактический наддув выше необходимого), соотношение первой части, состоящей из охлажденных отработавших газов, и второй части, состоящей из горячих отработавших газов, подаваемых в турбину, можно увеличить. Первая и вторая части отработавших газов могут соединяться в первой ветви выше по потоку от турбины, а затем течь через турбину. После выхода из турбины, отработавшие газы могут течь через нейтрализатор на днище кузова, а затем через ТКН. Более низкая температура отработавших газов, поступающих в ТКН после прохождения через турбину (где происходит работа за счет тепла отработавших газов), обеспечивает возможность оптимального функционирования ТКН.
В момент t3 возможен дополнительный рост нагрузки двигателя в связи с ростом водительского запроса. В связи с возросшим водительским запросом, можно увеличить число оборотов турбины для создания необходимого наддува. Число оборотов турбины можно увеличить за счет увеличения второй части, состоящей из горячих отработавших газов, подаваемой непосредственно в турбину, и соответствующего уменьшения первой части, охлаждаемой теплообменником перед поступлением в турбину. Первую часть отработавших газов, текущую через теплообменник, можно уменьшить путем уменьшения прохода клапана_3. Между моментами t3 и t4, в связи с уменьшением потока отработавших газов через теплообменник, возможно возрастание температуры отработавших газов, поступающих в турбину, что, в свою очередь, позволяет повысить число оборотов турбины. При этом можно продолжить удерживать измененное число оборотов турбины ниже указанного порога. Например, между моментами t2 и t4, если часть отработавших газов не была бы охлаждена до поступления в турбину, на что указывает линия 709, было бы возможно возрастание числа оборотов турбины сверх порогового уровня и, как следствие, рост вероятности повреждения металлических компонентов турбины.
Таким образом, в состояниях высокой нагрузки, одновременное направление отработавших газов по двум путям потока узла выпускной системы позволяет охладить часть отработавших газов до ее поступления в турбину и, тем самым, снизить вероятность повреждения металлических компонентов турбины.
В момент t4 получен запрос останова двигателя, в связи с чем подачу топлива прекращают, и происходит замедление вращения двигателя до полной остановки. В связи с этим возможно падение частоты вращения двигателя и нагрузки двигателя. В связи с запросом останова двигателя, клапан_1 и клапан_2 могут быть установлены в соответствующие первые положения, а клапан_3 может быть полностью открыт.Первые положения клапана_1 и клапан_2 и полностью открытое положение клапана_3 могут представлять собой заданное по умолчанию положение клапанов во время останова двигателя. Между моментами t4 и t5 двигатель остается остановленным, и температуру двигателя не измеряют.
В момент t5 получен запрос повторного пуска двигателя, в связи с которым двигатель запускают из неподвижного состояния. В данном случае двигатель запускают повторно после относительно короткого периода, когда температура двигателя выше пороговой температуры 707. Поэтому пуск двигателя может происходить в состоянии горячего пуска. В связи с относительно высокой температурой двигателя при повторном пуске, клапан_1 и клапан_2 могут быть установлены в соответствующие вторые положения, а клапан_3 может быть полностью закрыт.В связи с нахождением клапанов в этих заданных положениях, весь объем горячих отработавших газов может течь сначала через турбину, результатом чего может быть падение температуры отработавших газов, поступающих в область ниже по потоку от компонентов выпускной системы. После выхода из турбины, отработавшие газы пониженной температуры могут течь через нейтрализатор на днище кузова, а затем через ТКН, улучшая функционирование ТКН. После момента t5 узел выпускной системы может продолжить работу в данном режиме.
Таким образом, регулирование положения множества клапанов, соединенных с разветвленной выпускной системой с первой, второй и третьей ветвями, при этом каждая ветвь вмещает отличный от других компонент выпускной системы, позволяет изменять порядок течения отработавших газов через указанные отличные друг от друга компоненты выпускной системы, при этом направляя поток отработавших газов через каждый из отличных друг от друга компонентов выпускной системы.
ФИГ. 8 иллюстрирует пример способа 800 с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов по разным путям потока узла разветвленной выпускной системы, например, узла на ФИГ. 2 и ФИГ. 4А-4С.
На шаге 802 алгоритм предусматривает оценку и/или измерение текущих параметров работы двигателя. В число оцениваемых параметров могут входить, например, температура двигателя, нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, разрежение в коллекторе, положение дросселя, давление отработавших газов, воздушно-топливное отношение отработавших газов и т.п.
На шаге 804 алгоритма определяют, работает ли двигатель транспортного средства в состояниях холодного пуска. Наличие состояния холодного пуска двигателя может быть установлено, если двигатель запускают после продолжительного периода бездействия двигателя, когда температура двигателя ниже того или иного порога. В основе указанного порога может лежать температура активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, расположенного в ветви узла выпускной системы (например, узла выпускной системы 400 на ФИГ. 4А). До достижения температуры активации, каталитический нейтрализатор может не функционировать эффективно, в связи с чем в это время возрастают выбросы. Наличие состояний холодного пуска также можно устанавливать на основании того, что температура окружающей среды ниже пороговой.
Для ускорения достижения температуры активации каталитического нейтрализатора в состояниях холодного пуска, горячие отработавшие газы могут быть сначала направлены через каталитический нейтрализатор вместо направления их через турбину, могущую действовать как поглотитель тепла (снижая температуру отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор), кроме того, в это время может быть нужен нагрев цилиндров и поршней двигателя. То есть, если наличие состояний холодного пуска двигателя будет подтверждено, алгоритм следует на шаг 806 для эксплуатации узла выпускной системы в первом рабочем режиме. Работа в первом режиме, раскрытом на примере ФИГ. 4А, включает в себя перемещение первого четырехходового клапана или клапана_1 (например, клапана 217 на ФИГ. 4А) в выпускном канале выше по потоку от узла выпускной системы в первое положение и перемещение второго четырехходового клапана или клапана_2 (например, клапана 215 на ФИГ. 4А) в выпускном канале ниже по потоку от узла выпускной системы в первое положение. Кроме того, первый трехходовой клапан или клапан_3 (например, клапан 219 на ФИГ. 4А), соединенный с первой ветвью в месте соединения с первым выпускным каналом, и второй трехходовой клапан или клапан_4 (например, клапан 220 на ФИГ. 4А), расположенный в месте соединения каналов отработавших газов и второго выпускного канала (например, второго выпускного канала 226 на ФИГ. 4А), могут быть перемещены в соответствующие первые положения.
На шаге 808, в связи с установкой узла выпускной системы в первый рабочий режим, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу, может поступать во впускную (вторую) трубу (например, вторую впускную трубу 425 на ФИГ. 4А) и далее течь через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) (например, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 120 на ФИГ. 4А), расположенный в третьей ветви (например, третьей ветви 206 на ФИГ. 4А) узла выпускной системы. В ТКН, тепло от отработавших газов можно использовать для повышения температуры ТКН. Ускорение достижения температуры активации ТКН позволяет улучшить качество выбросов. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут далее течь вниз по третьей ветви в выпускную (вторую) трубу (например, вторую выпускную трубу 426 на ФИГ. 4А). Оттуда отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор на днище кузова (например, нейтрализатор 118 на днище кузова на ФИГ. 4А), расположенный во второй ветви (например, второй ветви 202 на ФИГ. 4А) узла выпускной системы. После выхода из нейтрализатора на днище кузова, поток отработавших газов может поступать в первую ветвь (например, первую ветвь 204 на ФИГ. 4А) узла выпускной системы по впускной (первой) трубе (например, первой впускной трубе 423 на ФИГ. 4А), а затем течь по каналу отработавших газов (например, каналу отработавших газов на ФИГ. 4А) вокруг цилиндров двигателя, где тепло от отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, циркулирующей через цилиндры по каналу охлаждающей жидкости. После протекания через двигатель (по каналам отработавших газов), отработавшие газы могут далее течь через турбину (например, турбину 116 на ФИГ. 3А), расположенную в первой ветви. Направление отработавших газов через турбину позволяет создавать наддув двигателя даже в состояниях холодного пуска. После выхода из турбины, отработавшие газы могут течь далее вниз по первой ветви в выпускную (первую) трубу (например, первую выпускную трубу 424 на ФИГ. 3А) и оттуда за пределы узла выпускной системы.
Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через ТКН, перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы (турбину и нейтрализатор на днище кузова), позволяет эффективно осуществлять передачу тепла отработавших газов каталитическому нейтрализатору, ускоряя активацию каталитического нейтрализатора. Таким образом, за счет горячих отработавших газов можно эффективно повысить температуру ТКН без необходимости запаздывания зажигания и, тем самым, повысить топливную экономичность двигателя. Направление отработавших газов по контуру отработавших газов и передача тепла охлаждающей жидкости позволяют, за счет тепла от отработавших газов, нагревать стенки и поршни цилиндров. Повышение температуры стенок и поршней цилиндров позволяет снизить выбросы углеводородов из двигателя. Кроме того, направление отработавших газов через турбину позволяет сократить задержку раскрутки турбины и, тем самым, уменьшить турбояму и улучшить показатели наддува. После выхода из узла выпускной системы, на шаге 810 отработавшие газы могут течь к выхлопной трубе. После прохождения через глушитель, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу.
Если будет установлено (на шаге 804), что двигатель не работает в состояниях холодного пуска, можно сделать вывод о том, что каталитический нейтрализатор достиг температуры активации и эффективно функционирует для снижения токсичности выбросов. На шаге 812 алгоритма определяют, превышает ли нагрузка двигателя пороговую. Пороговая нагрузка может соответствовать пиковой нагрузке двигателя, при превышении которой вероятно повреждение компонентов турбины из-за возросшего объема горячих отработавших газов, текущих через турбину.
Если нагрузка двигателя ниже пороговой, алгоритм следует на шаг 814 для эксплуатации узла выпускной системы во втором рабочем режиме. Работа во втором режиме, раскрытом на примере ФИГ. 4В, включает в себя перемещение первого четырехходового клапана (клапана_1), второго четырехходового клапана (клапана_2), первого трехходового клапана (клапана_3) и второго трехходового клапана (клапана_4) в соответствующие вторые положения.
На шаге 816, в связи с установкой узла выпускной системы во второй рабочий режим, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу, может поступать в первую впускную трубу и течь далее через турбину, расположенную в первой ветви узла выпускной системы. Направление горячих отработавших газов через турбину позволяет создавать необходимый наддув для двигателя. Кроме того, при протекании отработавших газов через турбину, их температура падает. После выхода из турбины, отработавшие газы далее текут вниз по первой ветви в первую выпускную трубу. Оттуда отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор на днище кузова, расположенный во второй ветви. После выхода из нейтрализатора на днище кузова, отработавшие газы могут далее течь к ТКН, расположенному в третьей ветви, по второй впускной трубе. Температура отработавших газов, проходящих через ТКН, ниже, чем температура отработавших газов, поступающих в турбину в данном режиме, что обеспечивает оптимальное функционирование ТКН. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут покинуть узел разветвленной выпускной системы по второй выпускной трубе.
Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов сначала через турбину позволяет улучшить показатели наддува, а также снизить температуру отработавших газов. В связи с особенностями покрытия на поверхности каталитического нейтрализатора, низкотемпературные отработавшие газы могут обеспечить более высокий коэффициент нейтрализации ТКН. После выхода из узла выпускной системы (эксплуатируемого во втором режиме), на шаге 822 отработавшие газы могут течь к выхлопной трубе. После прохождения через глушитель, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу.
Если будет установлено (на шаге 812), что нагрузка двигателя выше пороговой, алгоритм следует на шаг 818 для эксплуатации узла выпускной системы в третьем рабочем режиме. Эксплуатация в третьем режиме, раскрытом на примере ФИГ. 4С, включает в себя удержание первого четырехходового клапана (клапана_1), второго четырехходового клапана (клапана_2), первого трехходового клапана (клапана_3) и второго трехходового клапана (клапана_4) во втором положении, и включение форсунки (например, форсунки 221 на ФИГ. 4А), соединенной с первой ветвью выше по потоку от турбины, для начала впрыска охлаждающей текучей среды в поток отработавших газов.
На шаге 820, в связи с установкой узла выпускной системы в третий рабочий режим, весь объем отработавших газов, текущих вниз по главному выпускному каналу, может поступать в первую впускную трубу и течь далее через турбину, расположенную в первой ветви узла выпускной системы. Отработавшие газы, поступающие в турбину, можно охлаждать охлаждающей текучей средой, впрыскиваемой в поток отработавших газов посредством форсунки. В одном примере охлаждающая текучая среда может представлять собой воду. Количество впрыскиваемой охлаждающей текучей среды может зависеть от температуры отработавших газов и потребности в наддуве. Например, контроллер может определить управляющий сигнал, который должен быть направлен приводу форсунки охлаждающей текучей среды, при этом длительность импульса сигнала определяют по результатам определения температуры отработавших газов и потребности в наддуве. Температуру отработавших газов можно определять по результату измерения температуры отработавших газов датчиком температуры отработавших газов или по таким параметрам работы, как частота вращения двигателя, нагрузка двигателя и т.п. Потребность в наддуве также можно оценивать по таким параметрам работы двигателя, как частота вращения двигателя, нагрузка двигателя и т.п. Контроллер может определять длительность импульса путем вычисления, непосредственно учитывающего результаты определения температуры отработавших газов и потребности в наддуве, или же контроллер может определить длительность импульса путем расчета с помощью табулированной зависимости, входными параметрами которой являются температура отработавших газов и потребность в наддуве, а результатом - длительность импульса. В одном примере количество впрыскиваемой охлаждающей текучей среды может быть тем больше, чем выше температура отработавших газов. В еще одном примере количество впрыскиваемой охлаждающей текучей среды может быть тем меньше, чем больше потребность в наддуве. Направление более холодных отработавших газов через турбину позволяет снизить вероятность погрешности наддува и сбоя в работе металлических компонентов турбины в состояниях высокой нагрузки двигателя. После выхода из турбины, отработавшие газы далее текут вниз по первой ветви в первую выпускную трубу. Оттуда отработавшие газы могут быть направлены через нейтрализатор на днище кузова, расположенный во второй ветви. После выхода из нейтрализатора на днище кузова, отработавшие газы могут далее течь к ТКН, расположенному в третьей ветви, по второй впускной трубе. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут покинуть узел разветвленной выпускной системы по второй выпускной трубе.
После выхода из узла выпускной системы (эксплуатируемого в третьем режиме), на шаге 822, первая и вторая части отработавших газов могут течь к выхлопной трубе. После прохождения через глушитель, весь объем отработавших газов может быть сброшен в атмосферу.
На ФИГ. 10 раскрыт пример рабочей последовательности 1000, иллюстрирующей работу узла разветвленной выпускной системы на ФИГ. 2. Направление потока отработавших газов по разным путям потока с разными компонентами определяют в зависимости от параметров работы двигателя и температурной потребности каждого компонента. По горизонтали (оси х) обозначено время, а вертикальные метки t1-t5 обозначают значимые моменты в работе системы блока перепуска отработавших газов.
Первый график (линия 1002) представляет изменение результата оценки нагрузки двигателя с помощью датчика положения педали относительно пороговой нагрузки (точечная линия 1003). Второй график (линия 1004) представляет изменение результата оценки температуры двигателя датчиком температуры охлаждающей жидкости двигателя относительно пороговой температуры (точечная линия 1005). Третий график (линия 1006) представляет изменение числа оборотов турбины во времени. Точечная линия 1007 представляет число оборотов турбины, когда поток отработавших газов через турбину не регулируют посредством узла разветвленной выпускной системы. Точечная линия 1008 обозначает пороговое число оборотов турбины, при превышении которого вероятно повреждение компонентов турбины. Четвертый график (линия 1010) представляет положение первого четырехходового клапана (клапана_1), соединенного с выпускным каналом выше по потоку от узла разветвленной выпускной системы. Пятый график (линия 1012) представляет положение второго четырехходового клапана (клапана_2), соединенного с выпускным каналом ниже по потоку от узла разветвленной выпускной системы. Шестой график (линия 1014) представляет положение отводного клапана (клапана_3), соединенного с первой ветвью разветвленной системы в месте соединения с первым выпускным каналом. Седьмой график (линия 1016) представляет положение трехходового клапана (клапана_4), соединенного с местом соединения канала отработавших газов и второго выпускного канала. Восьмой график (линия 1018) представляет впрыск охлаждающей текучей среды в поток отработавших газов выше по потоку от турбины посредством форсунки.
До момента t1 происходит пуск двигателя из неподвижного состояния после периода бездействия, во время которого транспортное средство не приводили в движение. Пуск двигателя может происходить в состояниях холодного пуска, так как температура двигателя ниже пороговой температуры 1005. В это время двигатель может работать с нагрузкой ниже пороговой (ниже пороговой нагрузки 1003). При температуре ниже пороговой, двигатель может не быть достаточно прогрет для активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора (например, ТКН 120 на ФИГ. 2). В связи с состоянием холодного пуска, ТКН (например, ТКН 120 на ФИГ. 2), соединенный с третьей ветвью узла выпускной системы, может еще не достичь своей температуры активации. Для ускорения прогрева каталитического нейтрализатора, контроллер может установить первый клапан (клапан_1) и второй клапан (клапан_2) в соответствующие первые положения для направления горячих отработавших газов сначала через ТКН. В выбранном заданном положении клапанов, весь объем горячих отработавших газов может течь сначала через ТКН, причем за счет тепла от отработавших газов можно повысить температуру ТКН. После выхода из ТКН, отработавшие газы могут течь через нейтрализатор на днище кузова (например, нейтрализатор 118 на днище кузова на ФИГ. 2), соединенный со второй ветвью узла выпускной системы. Кроме того, первый трехходовой клапан (клапан_3) и второй трехходовой клапан (клапан_4) могут быть перемещены в соответствующие первые положения для направления всего количества отработавших газов по выпускным каналам и каналам отработавших газов вокруг цилиндров двигателя перед тем, как направить их через турбину. При протекании отработавших газов по каналам отработавших газов, тепло от отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, циркулирующей по каналам охлаждающей жидкости, охватывающим каналы отработавших газов, и за счет рекуперированного тепла можно повысить температуру стенок и поршней цилиндров. После протекания по каналам отработавших газов (вокруг цилиндров), отработавшие газы могут вновь поступить в первую ветвь разветвленного узла, а затем течь через турбину (например, турбину 116 на ФИГ. 2). В турбине может быть создан необходимый наддув для работы двигателя.
В момент t1 температура двигателя может превысить пороговую температуру (1005), что указывает на то, что ТКН достиг температуры активации и активирован. В это время дальнейший нагрев двигателя может не быть нужен. В связи с особенностями покрытия на поверхности каталитического нейтрализатора, коэффициенты нейтрализации каталитического нейтрализатора могут быть выше при более низких температурах отработавших газов. Для направления отработавших газов с более низкой температурой через ТКН (для повышения коэффициентов нейтрализации в ТКН), первый клапан (клапан_1), второй клапан (клапан_2), первый трехходовой клапан (клапан_3) и второй трехходовой клапан (клапан_4) могут быть перемещены в соответствующие вторые положения. Между моментами t1 и t2, в связи с нахождением клапанов в этих заданных положениях, весь объем горячих отработавших газов может течь сначала через турбину, где отработавшие газы можно использовать для дополнительной раскрутки турбины и удовлетворения потребности в наддуве. Если бы отработавшие газы не были направлены через турбину в состоянии холодного пуска, раскрутка турбины не произошла бы до t1 (как видно из графика 1007), и время до достижения необходимого числа оборотов турбины (соответствующего необходимому наддуву), было бы больше. Поэтому начало раскрутки турбины до момента t1 позволяет сократить время до достижения необходимого крутящего момента. Температура отработавших газов, поступающих в ТКН, может быть ниже, так как отработавшие газы поступают в ТКН после протекания через турбину. Это позволяет обеспечить оптимальное функционирование ТКН. Кроме того, регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов через турбину перед тем, как направить отработавшие газы через остальные компоненты выпускной системы, позволяет уменьшить турбояму.
В момент t2 имеет место рост нагрузки двигателя сверх пороговой в связи с возрастанием водительского запроса. Из-за относительно высокой нагрузки между моментами t2 и t3, температура и объем отработавших газов могут существенно возрасти, при этом весь объем горячих отработавших газов может не быть направлен через турбину для уменьшения погрешности наддува и предотвращения повреждения компонентов турбонагнетателя. Поэтому в это время, для снижения температуры отработавших газов, поступающих в турбину, некоторое количество охлаждающей текучей среды (обозначаемое линией С1) может быть впрыснуто в поток отработавших газов выше по потоку от турбины. Благодаря сниженной температуре отработавших газов, поступающих в турбину, число оборотов турбины можно удерживать ниже порогового. Количество впрыскиваемой охлаждающей текучей среды можно регулировать в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува. Таким образом, охлаждение отработавших газов до их поступления в турбину позволяет снизить вероятность повреждения металлических компонентов турбины.
В момент t3 возможен дополнительный рост нагрузки двигателя в связи с ростом водительского запроса. В связи с возросшим водительским запросом, можно увеличить число оборотов турбины для создания необходимого наддува. Между моментами t3 и t4 в поток отработавших газов, поступающих в турбину, может быть впрыснуто меньшее количество (на что указывает линия С2) охлаждающей текучей среды (по сравнению с количеством С1, впрыскиваемым между t2 и t3). Из-за того, что отработавшие газы, поступающие в турбину, являются более теплыми, число оборотов турбины может возрасти, при этом можно продолжить удерживать измененное число оборотов турбины ниже указанного порога. Например, если часть отработавших газов не была бы охлаждена до поступления в турбину между моментами t2 и t4, на что указывает линия 1007, было бы возможно возрастание числа оборотов турбины сверх порогового уровня, и, как следствие, рост вероятности повреждения металлических компонентов турбины.
В момент t4 получен запрос останова двигателя, в связи с чем подачу топлива прекращают, и происходит замедление вращения двигателя до полной остановки. В связи с этим возможно падение частоты вращения двигателя и нагрузки двигателя. В связи с запросом останова двигателя, клапан_1, клапан_2 и клапан_3 могут быть перемещены в соответствующие первые положения. Первые положения каждого из указанных трех клапанов могут представлять собой заданное по умолчанию положение клапанов во время останова двигателя. Между моментами t4 и t5 двигатель остается остановленным, и температуру двигателя не измеряют. В момент t5 получен запрос повторного пуска двигателя, в связи с которым двигатель запускают из неподвижного состояния. В данном случае двигатель запускают повторно после относительно короткого периода, когда температура двигателя выше пороговой температуры 1005. Поэтому пуск двигателя может происходить в состоянии горячего пуска. В связи с относительно высокой температурой двигателя при повторном пуске, клапаны (клапан_1, клапан_2, клапан_3 и клапан_4) могут быть перемещены в соответствующие вторые положения. В связи с нахождением клапанов в этом заданном положении, весь объем горячих отработавших газов может течь сначала через турбину, где может быть создан наддув для двигателя, а также может быть снижена температура отработавших газов. После выхода из турбины, отработавшие газы пониженной температуры могут течь через нейтрализатор на днище кузова, а затем через ТКН. После момента t4 узел выпускной системы может продолжить работу в данном режиме.
Таким образом, расположение отличных друг от друга компонентов выпускной системы в разных ветвях (и перепускном канале) узла разветвленной выпускной системы позволяет изменять поток отработавших газов через указанные компоненты. Например, можно изменять порядок течения отработавших газов и направлять их как минимум частично в обход одного или нескольких компонентов независимо от порядка их расположения относительно друг друга. Направление отработавших газов через отличные друг от друга компоненты выпускной системы, расположенные в разных ветвях узла разветвленной выпускной системы, позволяет ускорить достижение температуры активации каталитического нейтрализатора с одновременным созданием наддува для двигателя в состояниях холодного пуска. Отработавшие газы могут быть направлены через каждый из компонентов выпускной системы в разных направлениях в зависимости от параметров работы двигателя и температурной потребности соответствующих компонентов. Технический эффект, достигаемый рекупераций тепла отработавших газов в состояниях холодного пуска, состоит в возможности ускорения нагрева двигателя с соответствующим снижением выбросов при холодном пуске. Кроме того, ситуативный впрыск охлаждающей жидкости выше по потоку от турбины позволяет регулировать температуру отработавших газов, текущих через турбину, в частности - в состояниях относительно высокой нагрузки двигателя, и, тем самым, уменьшать повреждение металлических компонентов турбины. В целом, регулирование порядка течения отработавших газов через каждый из компонентов выпускной системы позволяет повысить КПД двигателя, качество выбросов, эксплуатационные показатели двигателя и топливную экономичность.
В одном примере способ содержит шаги, на которых: во время холодного пуска направляют отработавшие газы сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, затем через нейтрализатор на днище кузова, затем через перепускной канал отработавших газов с теплообменником, а затем через турбину, осуществляют передачу тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник, и осуществляют нагрев цилиндра и поршня двигателя за счет тепла отработавших газов, рекуперированного в теплообменнике. Предыдущий пример способа также содержит шаги, на которых, дополнительно или необязательно, после активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора отработавшие газы направляют сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, и во время работы с нагрузкой выше пороговой направляют первую часть отработавших газов сначала через теплообменник, затем через турбину, нейтрализатор на днище кузова, и в последнюю очередь - через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, и одновременно направляют вторую часть отработавших газов сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, и в последнюю очередь - через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, в обход теплообменника. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, соотношение первой и второй частей дополнительно или необязательно регулируют в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува, при этом регулирование включает в себя уменьшение первой части с соответствующим увеличением второй части по мере роста водительского запроса и увеличение первой части с соответствующим уменьшением второй части по мере роста погрешности наддува, при этом погрешность наддува представляет собой разность фактического и необходимого наддува. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, турбина расположена в первой ветви, нейтрализатор на днище кузова расположен во второй ветви, а трехкомпонентный каталитический нейтрализатор расположен в третьей ветви узла разветвленной выпускной системы, при этом первая ветвь, вторая ветвь и третья ветвь соединены друг с другом по текучей среде посредством первого четырехходового клапана и второго четырехходового клапана. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, перепускной канал отработавших газов соединен с первой ветвью выше по потоку от турбины посредством отводного клапана, а теплообменник расположен в перепускном канале отработавших газов. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первый четырехходовой клапан соединен с первым концом первой ветви, первым концом второй ветви и первым концом третьей ветви, второй четырехходовой клапан соединен со вторым концом первой ветви, вторым концом второй ветви и вторым концом третьей ветви, а отводной клапан соединен с первой ветвью в месте соединения с перепускным каналом отработавших газов. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, направление отработавших газов во время холодного пуска включает в себя направление отработавших газов сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении, затем направление отработавших газов через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем направление отработавших газов через теплообменник в первом направлении и направление отработавших газов через турбину в первом направлении, при этом второе направление противоположно первому направлению, причем направление отработавших газов после активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора включает в себя направление отработавших газов сначала через турбину в первом направлении, затем через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении, причем направление отработавших газов в состояниях с нагрузкой выше пороговой включает в себя направление первой части отработавших газов сначала через теплообменник в первом направлении, затем через турбину в первом направлении, затем через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении, и одновременное направление второй части отработавших газов через турбину в первом направлении, затем через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении в обход теплообменника. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, направление отработавших газов во время холодного пуска также включает в себя установку первого четырехходового клапана в первое положение, второго четырехходового клапана в первое положение и отводного клапана в открытое положение, причем направление отработавших газов после активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора также включает в себя установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и отводного клапана в закрытое положение, причем направление отработавших газов во время работы с нагрузкой выше пороговой также включает в себя установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и отводного клапана в частично открытое положение.
В еще одном примере способ для двигателя содержит шаги, на которых: в первом режиме направляют отработавшие газы сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, расположенный в третьей ветви, затем через нейтрализатор на днище кузова, расположенный во второй ветви, затем через первый выпускной канал, канал отработавших газов, второй выпускной канал, а затем через турбину, расположенную в первой ветви разветвленной выпускной системы, осуществляют передачу тепла от отработавших газов, текущих по каналу отработавших газов, охлаждающей жидкости, циркулирующей по концентрическому каналу охлаждающей жидкости, и осуществляют нагрев цилиндра и поршня двигателя теплом отработавших газов, рекуперированным охлаждающей жидкостью. Предыдущий пример способа также содержит шаги, на которых, дополнительно или необязательно, во втором режиме направляют отработавшие газы сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; и в третьем режиме направляют отработавшие газы сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, и впрыскивают охлаждающую текучую среду в отработавшие газы выше по потоку от турбины. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, работа в первом режиме включает в себя перемещение первого четырехходового клапана, соединенного с первыми концами первой ветви, второй ветви и третьей ветви, в первое положение, перемещение второго четырехходового клапана, соединенного со вторыми концами первой ветви, второй ветви и третьей ветви, в первое положение, перемещение первого трехходового клапана, соединенного с местом соединения первой ветви и первого выпускного канала, в первое положение и перемещение второго трехходового клапана, соединенного с местом соединения второго выпускного канала и канала отработавших газов, в первое положение, при этом работа во втором режиме и в третьем режиме включает в себя перемещение первого четырехходового клапана во второе положение, перемещение второго четырехходового клапана во второе положение, перемещение первого трехходового клапана в закрытое положение и перемещение второго трехходового клапана во второе положение. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаги, на которых, дополнительно или необязательно, выбирают первый режим, когда температура двигателя ниже пороговой, выбирают второй режим, когда температура двигателя выше пороговой и нагрузка двигателя ниже пороговой, при этом пороговая температура зависит от температуры активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, и выбирают третий режим, когда нагрузка двигателя выше пороговой. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, впрыск охлаждающей текучей среды включает в себя впрыск охлаждающей текучей среды в отработавшие газы выше по потоку от турбины посредством форсунки, при этом количество впрыскиваемой охлаждающей текучей среды регулируют в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, охлаждающая текучая среда представляет собой воду, причем указанное регулирование включает в себя уменьшение количества впрыскиваемой охлаждающей текучей среды при возрастании водительского запроса и увеличение указанного количества при возрастании погрешности наддува, при этом погрешность наддува представляет собой разность фактического и необходимого наддува. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первый режим, второй режим и третий режим включают в себя направление отработавших газов по первой ветви в первом направлении, направление отработавших газов по второй ветви во втором направлении и направление отработавших газов по третьей ветви в первом направлении, при этом первое направление противоположно второму. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаги, на которых, дополнительно или необязательно, переходят из первого режима во второй в связи с активацией трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, переходят из второго режима в третий в связи с ростом запрошенного крутящего момента и переходят из третьего режима в первый в связи с запросом останова двигателя.
В еще одном примере система двигателя содержит: двигатель, содержащий выпускной коллектор, датчик положения педали, узел разветвленной выпускной системы с первой ветвью, второй ветвью и третьей ветвью, перепускным каналом, первым клапаном, вторым клапаном и третьим клапаном, турбонагнетатель с турбиной, соединенной с первой ветвью узла разветвленной выпускной системы, при этом турбина соединена с компрессором, нейтрализатор на днище кузова, соединенный со второй ветвью узла выпускной системы, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, соединенный с третьей ветвью узла выпускной системы, теплообменник, соединенный с перепускным каналом, при этом теплообменник соединен по текучей среде с системой охлаждения двигателя, датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, соединенный с системой охлаждения двигателя, и контроллер с машиночитаемыми инструкциями, хранимыми в долговременной памяти, для: оценки температуры двигателя и нагрузки двигателя посредством датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя и/или датчика положения педали, выбора порядка направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в зависимости от результатов оценки температуры двигателя и нагрузки двигателя, и приведения в действие первого клапана, второго клапана и третьего клапана для направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по первой ветви, второй ветви и третьей ветви согласно выбранному порядку направления отработавших газов. В предыдущем примере, дополнительно или необязательно, указанный выбор включает в себя: в первом состоянии, в котором температура двигателя ниже пороговой, установку первого клапана в первое положение, второго клапана в первое положение и третьего клапана в открытое положение для направления отработавших газов сначала по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, затем по перепускному каналу с теплообменником, а затем по первой ветви с турбиной, во втором состоянии, в котором температура двигателя выше пороговой и нагрузка двигателя ниже пороговой, установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и третьего клапана в закрытое положение для направления отработавших газов сначала по первой ветви с турбиной, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, а затем по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, и в третьем состоянии, в котором температура двигателя выше пороговой и нагрузка двигателя выше пороговой, установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и третьего клапана в частично открытое положение для направления первой части отработавших газов сначала по перепускному каналу с теплообменником, затем по первой ветви с турбиной, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, а затем по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, и направления второй части отработавших газов сначала по первой ветви с турбиной, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, а затем по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, в обход теплообменника. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: в первом состоянии - осуществления циркуляции охлаждающей жидкости через теплообменник с передачей тепла от отработавших газов, текущих через теплообменник, циркулирующей охлаждающей жидкости, затем осуществления циркуляции нагретой охлаждающей жидкости по трубкам, концентрически расположенным вокруг множества цилиндров двигателя, и осуществления передачи тепла от охлаждающей жидкости цилиндрам двигателя. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: в первом состоянии -осуществления передачи тепла от отработавших газов, текущих по линии отработавших газов, множеству линий охлаждающей жидкости, а затем осуществления передачи тепла от множества линий охлаждающей жидкости цилиндрам двигателя, причем линии отработавших газов расположены концентрически вокруг множества линий охлаждающей жидкости, при этом каждая из линий охлаждающей жидкости расположена концентрически вокруг наружной поверхности цилиндра двигателя.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящем описании способы и алгоритмы управления можно хранить в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и могут реализовываться системой управления, содержащей контроллер, во взаимодействии с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами системы 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, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрытые действия реализуют путем выполнения инструкций, содержащихся в системе, содержащей вышеупомянутые технические средства в составе двигателя, взаимодействующие 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 идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств. Способ для двигателя заключается в том, что во время холодного пуска направляют отработавшие газы сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (120), затем через нейтрализатор (118) на днище кузова, затем через перепускной канал (123) отработавших газов с теплообменником (122), а затем через турбину (116). Осуществляют передачу тепла от отработавших газов к охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник (122). Осуществляют нагрев цилиндра (30) и поршня двигателя (10) за счет тепла отработавших газов, рекуперированного в теплообменнике (122). Раскрыты вариант способа для двигателя и система двигателя. Технический результат заключается в повышении температур стенок и поршней цилиндров, а также в ускорении активации катализатора за счет тепла отработавших газов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 14 ил.
1. Способ для двигателя, в котором:
во время холодного пуска направляют отработавшие газы сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, затем через нейтрализатор на днище кузова, затем через перепускной канал отработавших газов с теплообменником, а затем через турбину;
осуществляют передачу тепла от отработавших газов к охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник; и
осуществляют нагрев цилиндра и поршня двигателя за счет тепла отработавших газов, рекуперированного в теплообменнике.
2. Способ по п. 1, в котором дополнительно: после активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, отработавшие газы направляют сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; и
во время работы с нагрузкой выше пороговой направляют первую часть отработавших газов сначала через теплообменник, затем через турбину, нейтрализатор на днище кузова, и в последнюю очередь - через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, и одновременно направляют вторую часть отработавших газов сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, и в последнюю очередь - через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, в обход теплообменника.
3. Способ по п. 2, в котором соотношение первой и второй частей регулируют в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува, при этом регулирование включает в себя уменьшение первой части с соответствующим увеличением второй части по мере роста водительского запроса и увеличение первой части с соответствующим уменьшением второй части по мере роста погрешности наддува, при этом погрешность наддува представляет собой разность фактического и необходимого наддува.
4. Способ по п. 1, в котором турбина расположена в первой ветви, нейтрализатор на днище кузова расположен во второй ветви, а трехкомпонентный каталитический нейтрализатор расположен в третьей ветви узла разветвленной выпускной системы, при этом первая ветвь, вторая ветвь и третья ветвь соединены друг с другом по текучей среде посредством первого четырехходового клапана и второго четырехходового клапана.
5. Способ по п. 4, в котором перепускной канал отработавших газов соединен с первой ветвью выше по потоку от турбины посредством отводного клапана, а теплообменник расположен в перепускном канале отработавших газов.
6. Способ по п. 5, в котором первый четырехходовой клапан соединен с первым концом первой ветви, первым концом второй ветви и первым концом третьей ветви, второй четырехходовой клапан соединен со вторым концом первой ветви, вторым концом второй ветви и вторым концом третьей ветви, а отводной клапан соединен с первой ветвью в месте соединения с перепускным каналом отработавших газов.
7. Способ по п. 2, в котором направление отработавших газов во время холодного пуска включает в себя направление отработавших газов сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении, затем направление отработавших газов через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем направление отработавших газов через теплообменник в первом направлении, и направление отработавших газов через турбину в первом направлении, при этом второе направление противоположно первому направлению;
причем направление отработавших газов после активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора включает в себя направление отработавших газов сначала через турбину в первом направлении, затем через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении; и
причем направление отработавших газов в состояниях с нагрузкой выше пороговой включает в себя направление первой части отработавших газов сначала через теплообменник в первом направлении, затем через турбину в первом направлении, затем через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении, и одновременное направление второй части отработавших газов через турбину в первом направлении, затем через нейтрализатор на днище кузова во втором направлении, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор в первом направлении в обход теплообменника.
8. Способ по п. 5, в котором направление отработавших газов во время холодного пуска также включает в себя установку первого четырехходового клапана в первое положение, второго четырехходового клапана в первое положение и отводного клапана в открытое положение, причем направление отработавших газов после активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора также включает в себя установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и отводного клапана в закрытое положение, причем направление отработавших газов во время работы с нагрузкой выше пороговой также включает в себя установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и отводного клапана в частично открытое положение.
9. Способ для двигателя, в котором:
в первом режиме,
направляют отработавшие газы сначала через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, расположенный в третьей ветви, затем через нейтрализатор на днище кузова, расположенный во второй ветви, затем через первый выпускной канал, канал отработавших газов, второй выпускной канал, а затем через турбину, расположенную в первой ветви разветвленной выпускной системы;
осуществляют передачу тепла от отработавших газов, текущих по каналу отработавших газов, к охлаждающей жидкости, циркулирующей по концентрическому каналу охлаждающей жидкости; и
осуществляют нагрев цилиндра и поршня двигателя теплом отработавших газов, рекуперированным охлаждающей жидкостью.
10. Способ по п. 9, в котором дополнительно: во втором режиме направляют отработавшие газы сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; и
в третьем режиме направляют отработавшие газы сначала через турбину, затем через нейтрализатор на днище кузова, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, и впрыскивают охлаждающую текучую среду в отработавшие газы выше по потоку от турбины.
11. Способ по п. 10, в котором работа в первом режиме включает в себя перемещение первого четырехходового клапана, соединенного с первыми концами первой ветви, второй ветви и третьей ветви, в первое положение, перемещение второго четырехходового клапана, соединенного со вторыми концами первой ветви, второй ветви и третьей ветви, в первое положение, перемещение первого трехходового клапана, соединенного с местом соединения первой ветви и первого выпускного канала, в первое положение, и перемещение второго трехходового клапана, соединенного с местом соединения второго выпускного канала и канала отработавших газов, в первое положение, а работа во втором режиме и в третьем режиме включает в себя перемещение первого четырехходового клапана во второе положение, перемещение второго четырехходового клапана во второе положение, перемещение первого трехходового клапана во второе положение и перемещение второго трехходового клапана во второе положение.
12. Способ по п. 10, в котором дополнительно: выбирают первый режим, когда температура двигателя ниже пороговой, выбирают второй режим, когда температура двигателя выше пороговой и нагрузка двигателя ниже пороговой, при этом пороговая температура зависит от температуры активации трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, и выбирают третий режим, когда нагрузка двигателя выше пороговой.
13. Способ по п. 10, в котором впрыск охлаждающей текучей среды включает в себя впрыск охлаждающей текучей среды в отработавшие газы выше по потоку от турбины посредством форсунки, при этом количество впрыскиваемой охлаждающей текучей среды регулируют в зависимости от водительского запроса и погрешности наддува.
14. Способ по п. 13, в котором охлаждающая текучая среда представляет собой воду, причем указанное регулирование включает в себя уменьшение количества впрыскиваемой охлаждающей текучей среды при возрастании водительского запроса и увеличение указанного количества при возрастании погрешности наддува, при этом погрешность наддува представляет собой разность фактического и необходимого наддува.
15. Способ по п. 10, в котором первый режим, второй режим и третий режим включают в себя направление отработавших газов по первой ветви в первом направлении, направление отработавших газов по второй ветви во втором направлении, и направление отработавших газов по третьей ветви в первом направлении, при этом первое направление противоположно второму направлению.
16. Способ по п. 10, в котором дополнительно: переходят из первого режима во второй режим в связи с активацией трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, переходят из второго режима в третий режим в связи с ростом запрошенного крутящего момента и переходят из третьего режима в первый режим в связи с запросом останова двигателя.
17. Система двигателя, содержащая:
двигатель, содержащий выпускной коллектор;
датчик положения педали;
узел разветвленной выпускной системы с первой ветвью, второй ветвью, третьей ветвью, перепускным каналом, первым клапаном, вторым клапаном и третьим клапаном;
турбонагнетатель с турбиной, соединенной с первой ветвью узла разветвленной выпускной системы, при этом турбина соединена с компрессором;
нейтрализатор на днище кузова, соединенный со второй ветвью узла выпускной системы;
трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, соединенный с третьей ветвью узла выпускной системы;
теплообменник, соединенный с перепускным каналом, при этом теплообменник соединен по текучей среде с системой охлаждения двигателя;
датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, соединенный с системой охлаждения двигателя; и
контроллер с машиночитаемыми инструкциями, хранимыми в долговременной памяти, для:
оценки температуры двигателя и нагрузки двигателя посредством датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя и/или датчика положения педали;
выбора порядка направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, в зависимости от результатов оценки температуры двигателя и нагрузки двигателя; и
приведения в действие первого клапана, второго клапана и третьего клапана для направления отработавших газов через турбину, нейтрализатор на днище кузова и трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по первой ветви, второй ветви и третьей ветви согласно выбранному порядку направления отработавших газов.
18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что указанный выбор включает в себя: в первом состоянии, в котором температура двигателя ниже пороговой, установку первого клапана в первое положение, второго клапана в первое положение и третьего клапана в открытое положение для направления отработавших газов сначала по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, затем по перепускному каналу с теплообменником, а затем по первой ветви с турбиной;
во втором состоянии, в котором температура двигателя выше пороговой и нагрузка двигателя ниже пороговой, установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и третьего клапана в закрытое положение для направления отработавших газов сначала по первой ветви с турбиной, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, а затем по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором; и
в третьем состоянии, в котором температура двигателя выше пороговой и нагрузка двигателя выше пороговой, установку первого клапана во второе положение, второго клапана во второе положение и третьего клапана в частично открытое положение для направления первой части отработавших газов сначала по перепускному каналу с теплообменником, затем по первой ветви с турбиной, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, а затем по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, и направление второй части отработавших газов сначала по первой ветви с турбиной, затем по второй ветви с нейтрализатором на днище кузова, а затем по третьей ветви с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, в обход теплообменника.
19. Система по п. 18, отличающаяся тем, что контроллер содержит дополнительные инструкции для: в первом состоянии - осуществления циркуляции охлаждающей жидкости через теплообменник с передачей тепла от отработавших газов, текущих через теплообменник, циркулирующей охлаждающей жидкости, затем осуществления циркуляции нагретой охлаждающей жидкости по трубкам, концентрически расположенным вокруг множества цилиндров двигателя, и осуществления передачи тепла от охлаждающей жидкости цилиндрам двигателя.
20. Система по п. 19, отличающаяся тем, что контроллер содержит дополнительные инструкции для: в первом состоянии - осуществления передачи тепла от отработавших газов, текущих по линии отработавших газов, множеству линий охлаждающей жидкости, а затем осуществления передачи тепла от множества линий охлаждающей жидкости цилиндрам двигателя, причем линии отработавших газов расположены концентрически вокруг множества линий охлаждающей жидкости, при этом каждая из линий охлаждающей жидкости расположена концентрически вокруг наружной поверхности цилиндра двигателя.
| US 8234865 B2, 07.08.2012 | |||
| US 8555636 B2, 15.10.2013 | |||
| Способ приготовления лака | 1924 |
|
SU2011A1 |
| Устройство для управления реверсивным однофазным асинхронным двигателем | 1961 |
|
SU146389A1 |
| Автомат И.А. Щелконогова и С.А. Фарамазова для механизированного брикетирования и выгрузки твердого битума из открытого котлована | 1960 |
|
SU141428A1 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОДА | 2010 |
|
RU2452055C2 |
