Способ и система для рециркуляции отработавших газов и рекуперации их тепла - RU2689277C2
Код документа: RU2689277C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее раскрытие в целом относится к способам и системам для единственного теплообменника для рекуперации тепла отработавших газов и охлаждения рециркулируемых отработавших газов РОГ (EGR).
Уровень техники и раскрытие изобретения
Устройства нейтрализации отработавших газов, например, каталитический нейтрализатор отработавших газов, соединенный с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, снижают содержание таких побочных продуктов сгорания, как угарный газ, углеводороды и оксиды азота. Для оптимальной производительности каталитического нейтрализатора его температуру необходимо поддерживать выше температуры активации каталитического нейтрализатора. Для этого двигатели могут быть выполнены с системой рекуперации тепла отработавших газов для рекуперации тепла из отработавших газов. За счет тепла отработавших газов можно нагревать каталитический нейтрализатор в состояниях с низкой температурой двигателя, а также охлаждающую жидкость двигателя, передающую тепло компонентам двигателя и салону транспортного средства, тем самым повышая топливную экономичность. Двигатели также могут быть выполнены с возможностями рециркуляции отработавших газов во впускной коллектор для снижения выбросов оксидов азота (NOx) и повышения топливной экономичности. С системой рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR) может быть соединен охладитель рециркулируемых отработавших газов (РОГ) для понижения их температуры перед подачей во впускной коллектор.
Предложен ряд решений для координации подачи тепла в каталитические нейтрализаторы отработавших газов, рекуперации тепла отработавших газов и охлаждения РОГ. В одном примере, раскрытом в документе US 8,240,294 Сурнилла (Surnilla) с соавторами, система двигателя выполнена с системой РОГ высокого давления РОГ ВД (HP-EGR) с возможностью подачи отработавших газов из выпускного коллектора выше по потоку от газовой турбины и каталитического нейтрализатора отработавших газов во впускной коллектор ниже по потоку от компрессора всасываемого воздуха. С системой РОГ ВД может быть соединен охладитель РОГ ВД для охлаждения отработавших газов до их подачи во впускной коллектор двигателя. В состояниях холодного пуска можно осуществлять рециркуляцию части отработавших газов через охладитель РОГ ВД с одновременной циркуляцией охлаждающей жидкости двигателя через данный охладитель для рекуперации тепла отработавших газов и нагрева охлаждающей жидкости двигателя. За счет тепла, рекуперированного охлаждающей жидкостью двигателя, можно нагревать компоненты системы двигателя. Количество рекуперируемого тепла можно увеличивать за счет увеличения количества РОГ ВД, рециркулируемых во впускной коллектор. Соответственно, можно регулировать параметры работы двигателя для поддержания устойчивости горения при увеличении количества РОГ ВД.
Однако авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки вышеуказанного решения. Например, отбор тепла отработавших газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора может привести к росту выбросов при холодном пуске двигателя из-за того, что охладитель РОГ ВД действует как поглотитель тепла. В частности, во время холодного пуска двигателя может происходить удаление тепла из отработавших газов двигателя в охладителе РОГ ВД, в результате чего происходит уменьшение количества тепла отработавших газов, поступающего в расположенный ниже по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов. Из-за этого может возникнуть задержка активации каталитического нейтрализатора. Кроме того, из-за направления отработавших газов через охладитель, расположенный перед каталитическим нейтрализатором, могут произойти нежелательные изменения целевого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор отработавших газов. В двигателях других конфигураций рекуперация тепла отработавших газах может происходить ниже по потоку от каталитического нейтрализатора отработавших газов, чтобы тепло отработавших газов можно было сначала использовать для нагрева каталитического нейтрализатора. При этом в данном решении каталитический нейтрализатор может действовать как поглотитель тепла, и тепла, рекуперированного из отработавших газов ниже по потоку от каталитического нейтрализатора, может не быть достаточно для нагрева охлаждающей жидкости двигателя. Кроме того, возможна потеря рекуперированного тепла из-за большой протяженности линий охлаждающей жидкости. А также, если РОГ осуществляют путем рециркуляции отработавших газов из области ниже по потоку от каталитических нейтрализаторов, падение противодавления в выпускной системе ниже по потоку от каталитического нейтрализатора может отрицательно повлиять на поток РОГ во впускной коллектор. Можно использовать два отдельных теплообменника - один для рекуперации тепла отработавших газов ниже по потоку от каталитического нейтрализатора, а другой - для охлаждения РОГ выше по потоку от каталитического нейтрализатора - однако наличие нескольких теплообменников увеличивает себестоимость и сложность.
Авторы настоящего изобретения определили решение, позволяющее по меньшей мере частично преодолеть вышеуказанные недостатки. Один пример способа для двигателя содержит шаги, на которых: подают первую часть отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов через теплообменник в перепускном канале, подают вторую, остальную, часть отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов через основной выпускной канал, расположенный параллельно перепускному каналу, и поцилиндрово регулируют подачу топлива в зависимости от соотношения первой и второй частей для обеспечения целевого воздушно-топливного отношения отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Таким образом, расположение объединенного теплообменника отработавших газов и охладителя РОГ в перепускном канале отработавших газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора позволяет обходить теплообменник во время нагрева каталитического нейтрализатора, а после активации каталитического нейтрализатора использовать теплообменник для рекуперации тепла отработавших газов и/или охлаждения РОГ.
В одном примере система двигателя может быть выполнена с единственным теплообменником, расположенным перед одним или несколькими каталитическими нейтрализаторами отработавших газов в перепускном канале отработавших газов, расположенном параллельно основному выпускному каналу. С местом соединения перепускного канала и основного выпускного канала может быть соединен отводной клапан с возможностью отведения отработавших газов в перепускной канал и через теплообменник или по основному каналу в выхлопную трубу. Магистраль РОГ может быть соединена с перепускным каналом ниже по потоку от теплообменника, а клапан РОГ может быть соединен с магистралью РОГ для регулирования потока отработавших газов во впускной коллектор. Положение отводного клапана и клапана РОГ можно регулировать в зависимости от запроса нагрева каталитического нейтрализатора, и/или запроса рекуперации тепла отработавших газов, и/или запроса РОГ. Например, в состояниях холодного пуска положение отводного клапана можно регулировать для направления отработавших газов непосредственно в каталитические нейтрализаторы отработавших газов в обход теплообменника. После того, как будет достигнута активация каталитического нейтрализатора, положение отводного клапана можно регулировать в зависимости от соотношения потребностей в нагреве двигателя и потребностей в нагреве каталитического нейтрализатора с возможностью направления первой части отработавших газов в каталитический нейтрализатор (нейтрализаторы) через теплообменник, размещенный в перепускном канале отработавших газов, а второй (остальной) части отработавших газов - непосредственно в каталитический нейтрализатор (нейтрализаторы) в обход теплообменника. При протекании отработавших газов через теплообменник тепло отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости двигателя, циркулирующей через теплообменник, с возможностью последующего использования горячей охлаждающей жидкости для таких функций, как нагрев двигателя и обогрев салона. Так как часть отработавших газов, поступающая в каталитический нейтрализатор, течет по более длинному маршруту, возможны нежелательные изменения воздушно-топливного отношения смеси отработавших газов, поступающей в каталитический нейтрализатор. В частности, в каталитическом нейтрализаторе может быть нужно создать необходимое возмущение воздушно-топливного отношения отработавших газов для поддержания функциональных возможностей каталитического нейтрализатора. Для создания запрошенного возмущения воздушно-топливного отношения, воздушно-топливное отношение при сгорании можно поцилиндрово регулировать в зависимости от входных сигналов от датчиков кислорода, соединенных с основным выпускным каналом выше и ниже по потоку от теплообменника. Например, это обеспечивает возможность смешивания более богатой смеси, созданной в первой части отработавших газов, текущей в каталитический нейтрализатор через теплообменник, с более бедной смесью, созданной во второй части отработавших газов, текущей в каталитический нейтрализатор в обход теплообменника, с созданием необходимого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов непосредственно выше по потоку от каталитического нейтрализатора. Когда запрашивают охлажденные РОГ, отработавшие газы могут быть направлены во впускной коллектор через теплообменник и клапан РОГ, при этом в данном случае теплообменник работает как охладитель РОГ. В других примерах можно осуществлять забор отработавших газов в единый теплообменник из места между каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Поток отработавших газов через теплообменник можно регулировать для поддержания температуры каталитических нейтрализаторов выше соответствующих температур активации с одновременной рекупераций тепла отработавших газов и/или подачей РОГ.
Таким образом, осуществление функций охладителя РОГ и теплообменника отработавших газов за счет единственного теплообменника обеспечивает преимущества, состоящие в снижении себестоимости и уменьшении количества компонентов без ограничения функциональных возможностей или производительности какой-либо из систем. Расположение теплообменника в месте перед каталитическим нейтрализатором или посередине между каталитическими нейтрализаторами позволяет сократить протяженность каналов РОГ и охлаждающей жидкости двигателя с соответствующими сокращениями запаздываний перемещения РОГ и потерь тепла охлаждающей жидкости. Технический эффект, достигаемый направлением отработавших газов через каталитические нейтрализаторы, но в обход теплообменника, в состояниях холодного пуска, состоит в отсутствии отрицательного влияния на активацию каталитических нейтрализаторов с возможностью поддержания качества выбросов при холодном пуске. Направление отработавших газов через теплообменник, расположенный перед каталитическим нейтрализатором, после активации каталитического нейтрализатора позволяет увеличить рекуперацию тепла отработавших газов с возможностью нагрева двигателя и обогрева салона. В гибридных транспортных средствах рекуперация тепла отработавших газов и ускоренный нагрев двигателя обеспечивают возможность глушения двигателя через более короткий период. Технический эффект, достигаемый поцилиндровым регулированием воздушно-топливного отношения в зависимости от входных сигналов от датчиков кислорода, соединенных с выпускным каналом выше и ниже по потоку от теплообменника, состоит в возможности обеспечения фазового отклонения воздушно-топливных отношений отработавших газов в каталитических нейтрализаторах и, тем самым, улучшениях их функциональных возможностей. В целом, ускорение активации каталитического нейтрализатора, рекуперация тепла отработавших газов и подача охлажденных РОГ за счет меньшего количества компонентов позволяют улучшить качество выбросов, топливную экономичность и эксплуатационные показатели двигателя.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое раскрытие изобретения служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
Краткое описание чертежей
ФИГ. 1А изображает первый пример осуществления системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником перед каталитическим нейтрализатором, работающей в первом режиме.
ФИГ. 1В изображает первый пример осуществления системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником перед каталитическим нейтрализатором, работающей во втором режиме.
ФИГ. 1С изображает первый пример осуществления системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником перед каталитическим нейтрализатором, работающей в третьем режиме.
ФИГ. 2А изображает второй пример осуществления системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником посередине между каталитическими нейтрализаторами, работающей в первом режиме.
ФИГ. 2В изображает второй пример осуществления системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником посередине между каталитическими нейтрализаторами, работающей во втором режиме.
ФИГ. 2С изображает второй пример осуществления системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником посередине между каталитическими нейтрализаторами, работающей в третьем режиме.
ФИГ. 3 изображает пример системы охлаждения, соединенной с теплообменником на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С.
ФИГ. 4 изображает блок-схему, иллюстрирующую первый пример способа с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через систему теплообмена на ФИГ. 1А-1С.
ФИГ. 5 изображает блок-схему, иллюстрирующую второй пример способа с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через систему теплообмена на ФИГ. 2А-2С.
На ФИГ. 6 изображена таблица, иллюстрирующая различные режимы эксплуатации системы теплообмена на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С.
На ФИГ. 7 раскрыт пример эксплуатации системы теплообмена на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание относится к системам и способам для единственного теплообменника перед каталитическим нейтрализатором или посередине между каталитическими нейтрализаторами для улучшения рекуперации тепла отработавших газов и охлаждения рециркулируемых отработавших газов (РОГ)-Различные режимы эксплуатации первого примера системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником перед каталитическим нейтрализатором, раскрыты на ФИГ. 1А-1С. Различные режимы эксплуатации второго примера системы двигателя, содержащей систему теплообмена с теплообменником посередине между каталитическими нейтрализаторами, раскрыты на ФИГ. 2А-2С. Пример системы охлаждения, соединенной с теплообменником на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С, раскрыт на ФИГ. 3. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью осуществления алгоритма управления, например, алгоритмов на ФИГ. 4 и 5, для изменения положений одного или нескольких клапанов выпускной системы для регулирования потока отработавших газов через теплообменник в системах на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С соответственно. Различные режимы эксплуатации примеров систем двигателя на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С раскрыты в табличной форме на ФИГ. 6. Пример эксплуатации систем на ФИГ. 1А-1С и ФИГ. 2А-2С раскрыт на ФИГ. 7.
На ФИГ. 1А схематически представлены особенности примера системы 100 двигателя, содержащей двигатель 10. В раскрываемом варианте двигатель 10 представляет собой двигатель с наддувом, соединенный с турбонагнетателем 13, содержащим компрессор 114 с приводом от турбины 116. Свежий воздух поступает по заборному каналу 42 в двигатель 10 через воздухоочиститель 112, а затем - в компрессор 114. Компрессор может представлять собой любой подходящий компрессор всасываемого воздуха, например мотор-компрессор или приводимый от вала компрессор нагнетателя. В системе двигателя 10 компрессор представляет собой компрессор в составе турбонагнетателя, механически соединенный с турбиной 116 через вал 19, при этом турбину 116 приводят в действие расширяющиеся отработавшие газы двигателя.
На ФИГ. 1 компрессор 114 показан соединенным через охладитель 118 наддувочного воздуха ОНВ (САС) с дроссельной заслонкой 20. Дроссельная заслонка 20 соединена с впускным коллектором 22 двигателя. Заряд сжатого воздуха из компрессора поступает через охладитель 118 наддувочного воздуха и дроссельную заслонку во впускной коллектор. В варианте на ФИГ. 1А давление заряда воздуха во впускном коллекторе измеряет датчик 124 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 качестве еще одного примера, датчик 57 влажности может быть соединен с указанным входом для оценки влажности заряда воздуха, поступающего в компрессор. В число других 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 опосредованно определять по параметрам работы двигателя. Кроме того, когда осуществляют рециркуляцию отработавших газов (РОГ), указанные датчики могут оценивать температуру, давление, влажность и воздушно-топливное отношение смешанного заряда воздуха, включающего в себя свежий воздух, рециркулируемый сжатый воздух и остаточные отработавшие газы, поступающие на вход компрессора.
Привод 92 регулятора давления наддува выполнен с возможностью приведения в действие для открытия регулятора и по меньшей мере частичного сброса давления отработавших газов из области выше по потоку от турбины в область ниже по потоку от нее через регулятор 90 давления наддува. Снижение давления отработавших газов выше по потоку от турбины позволяет уменьшить число оборотов турбины, что, в свою очередь, позволяет уменьшить помпаж компрессора.
Впускной коллектор 22 соединен с несколькими камерами 30 сгорания через несколько впускных клапанов (не показаны). Камеры сгорания в свою очередь соединены с выпускным коллектором 36 через несколько выпускных клапанов (не показаны). В раскрываемом варианте показан одинарный выпускной коллектор 36. При этом в других вариантах выпускной коллектор может содержать множество секций выпускного коллектора. Конфигурации с множеством секций выпускного коллектора позволяют направлять отработавшие газы из разных камер сгорания в разные области в системе двигателя.
В одном варианте осуществления любой из выпускных и впускных клапанов может быть выполнен с возможностью электронного приведения в действие или управления. В еще одном варианте любой из выпускных и впускных клапанов может быть выполнен с кулачковым приводом или управлением. Независимо от типа привода - электронного или кулачкового, моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов можно регулировать для достижения 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 66. 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.
Как показано на ФИГ. 1А, отработавшие газы из одной или нескольких секций выпускного коллектора могут быть направлены в турбину 116 для приведения ее в действие. Объединенный поток из турбины и регулятора давления наддува может далее течь через устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов. В одном примере первое устройство 170 нейтрализации отработавших газов может представлять собой пусковой каталитический нейтрализатор, а второе устройство 171 нейтрализации отработавших газов - каталитический нейтрализатор на днище кузова. Как правило, устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов выполнены с возможностью каталитической обработки потока отработавших газов и, тем самым, снижения содержания одного или нескольких веществ в потоке отработавших газов. Например, устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов могут быть выполнены с возможностью улавливания оксидов азота из потока отработавших газов, когда они являются обедненными, и восстановления уловленных оксидов азота, когда отработавшие газы являются обогащенными. В других примерах устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов могут быть выполнены с возможностью диспропорционирования или избирательного восстановления оксидов азота с помощью восстановителя. В дополнительных примерах устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов могут быть выполнены с возможностью окисления остаточных углеводородов и/или угарного газа в потоке отработавших газов. Различные катализаторы нейтрализации отработавших газов с подобными функциональными возможностями могут быть расположены в покрытиях из пористых оксидов или в других областях ступеней нейтрализации отработавших газов по отдельности или совместно. В некоторых вариантах в состав указанных ступеней нейтрализации отработавших газов может входить регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления твердых частиц в потоке отработавших газов. Все или часть очищенных отработавших газов из устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов могут быть сброшены в атмосферу по основному выпускному каналу 102 после прохождения через глушитель 172.
Система 150 теплообмена отработавших газов может быть соединена с основным выпускным каналом выше по потоку от устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов. Перепускной канал 174 системы теплообмена 150 может быть соединен с основным выпускным каналом 102 ниже по потоку от турбины 116 в месте 106 соединения. Перепускной канал 174 может проходить из области ниже по потоку от турбины 116 в область выше по потоку от первого устройства 170 нейтрализации отработавших газов. Перепускной канал 174 может быть расположен параллельно основному выпускному каналу 102. Теплообменник 176 может быть соединен с перепускным каналом 174 для охлаждения отработавших газов, проходящих по перепускному каналу 174. В одном примере теплообменник 176 представляет собой водно-газовый теплообменник. Система 155 охлаждения двигателя может быть соединена с теплообменником отработавших газов 176 для рекуперации тепла отработавших газов и охлаждения РОГ. Охлаждающая жидкость двигателя может поступать в теплообменник 176 по подводящей линии 160 охлаждающей жидкости с возможностью возврата, после циркуляции через теплообменник 176, в двигатель или направления в сердцевину обогревателя по отводящей линии 162 охлаждающей жидкости. Подающая магистраль 180 рециркуляции отработавших газов (РОГ) может быть соединена с перепускным каналом 174 в месте 108 соединения ниже по потоку от теплообменника 176 для подачи РОГ низкого давления РОГ НД (LP-РОГ) во впускной коллектор двигателя выше по потоку от компрессора 114. В дополнительных вариантах система двигателя может содержать путь потока РОГ высокого давления, в котором осуществляют отбор отработавших газов из области выше по потоку от турбины 116 и их рециркуляцию во впускной коллектор двигателя ниже по потоку от компрессора 114.
С магистралью 180 РОГ могут быть соединены один или несколько датчиков для выдачи информации о составе и состоянии РОГ. Например, датчик температуры может быть установлен для определения температуры РОГ, датчик давления - для определения давления РОГ, датчик влажности - для определения влажности или содержания воды в РОГ, а датчик воздушно-топливного отношения - для оценки воздушно-топливного отношения 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 датчик кислорода. Из области ниже по потоку от турбины 116 отработавшие газы могут течь к устройствам 170 и 171 нейтрализации отработавших газов по основному выпускному каналу 102 и/или перепускному каналу 174.
Отводной клапан 175 соединен с местом соединения основного выпускного канала 102 и перепускного канала 174 ниже по потоку от теплообменника 176 с возможностью регулирования потока отработавших газов по перепускному каналу 174. Клапан 52 РОГ может быть соединен с магистралью 180 РОГ в месте соединения магистрали 180 РОГ и заборного канала 42. 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 или двухпозиционным. В зависимости от таких параметров работы, как температура двигателя, часть отработавших газов может быть отведена по перепускному каналу 174 и далее в выхлопную трубу 35 через устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов или во вход компрессора 114 через магистраль 180 РОГ и клапан 52 рециркуляции отработавших газов (РОГ). Проходы отводного клапана 175 и клапана 52 РОГ можно регулировать для регулирования потока отработавших газов через перепускной канал 174 и теплообменник 176.
С основным выпускным каналом может быть соединено множество датчиков, в том числе датчик 127 температуры отработавших газов и датчик 129 давления отработавших газов. Первый датчик 161 кислорода в отработавших газах может быть соединен с основным выпускным каналом 102 выше по потоку от перепускного канала 174, а второй датчик 163 кислорода в отработавших газах может быть соединен с основным выпускным каналом 102 ниже по потоку от перепускного канала 174 (выше по потоку от первого устройства 170 нейтрализации отработавших газов). Датчик 161 выполнен с возможностью оценки первого воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в теплообменник 196, а датчик 163 - второго воздушно-топливного отношения отработавших газов, выходящих из перепускного канала 174 (после протекания через теплообменник 176). Датчики кислорода могут представлять собой линейные датчики кислорода или УДКОГ (UEGO) (универсальные или широкодиапазонные датчики кислорода в отработавших газах), двухрежимные датчики кислорода или ДКОГ (EGO), нагреваемые ДКОГ (HEGO), датчики оксидов азота, углеводородов или угарного газа.
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). Например, в число датчиков 16 могут входить: датчик 126 кислорода в отработавших газах выше по потоку от турбины 116, датчик положения педали, датчик 124 ДВК, датчик 127 температуры отработавших газов, датчик 129 давления отработавших газов, датчики 161 и 163 кислорода, датчик 55 температуры на входе компрессора, датчик 56 давления на входе компрессора и датчик 57 влажности на входе компрессора. 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, отводной клапан 175, регулятор 92 давления наддува и топливная форсунка 66. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер 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 параметров работы двигателя и потребностей в РОГ, контроллер 12 может регулировать положения отводного клапана 175 и клапана 52 РОГ для подачи отработавших газов непосредственно в устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов или теплообменник 176. Кроме того, в зависимости от параметров работы двигателя, можно отрегулировать проход клапана 52 РОГ для отбора необходимого количества РОГ из перепускного канала отработавших газов во впускной коллектор двигателя через теплообменник 176. Алгоритм управления для регулирования потока отработавших газов раскрыт на примере ФИГ. 4.
ФИГ. 1А иллюстрирует эксплуатацию системы теплообмена 150 в первом рабочем режиме. Первому рабочему режиму соответствует первая настройка отводного клапана 175 и клапана 52 РОГ, позволяющая регулировать поток отработавших газов. В первом рабочем режиме отводной клапан 175 может находиться в первом (полностью закрытом) положении, а клапан 52 РОГ - в закрытом положении. В первом рабочем режиме, в связи с первым положением отводного клапана 175, отработавшие газы, выходящие из турбины 116 и регулятора 90 давления наддува, могут не поступать в перепускной канал 174, а течь вниз по потоку по основному выпускному каналу 102 в устройства нейтрализации отработавших газов. После протекания через первое и второе устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов и глушитель 172, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу по выхлопной трубе 35.
Систему теплообмена можно эксплуатировать в первом рабочем режиме (раскрытом выше) в состояниях холодного пуска. В таких состояниях устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов могут не функционировать оптимально, так как температуры устройств могли не достигнуть соответствующих температур активации. Поэтому систему теплообмена можно эксплуатировать в первом рабочем режиме, если по меньшей мере устройство 170 нейтрализации отработавших газов (верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов) не достигло своей температуры активации. Кроме того, в состояниях холодного пуска РОГ может не быть запрошена. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов непосредственно через устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов (в обход теплообменника) позволяет передавать тепло отработавших газов каталитическим нейтрализаторам, ускоряя их активацию. Таким образом, за счет горячих отработавших газов можно эффективно повышать температуру устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов (каталитических нейтрализаторов). Ускорение активации каталитического нейтрализатора за счет тепла отработавших газах снижает необходимость изменения момента зажигания в сторону запаздывания и, тем самым, повышает топливную экономичность двигателя. Более быстрое достижение температуры активации устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов позволяет улучшить качество выбросов.
В одном примере система 100 двигателя может быть установлена в гибридном силовом агрегате. Регулирование потока отработавших газов через систему теплообмена позволяет быстро прогреть охлаждающую жидкость двигателя при эксплуатации гибридного силового агрегата во время холодного пуска. Быстрое доведение охлаждающей жидкости до рабочей температуры позволяет раньше заглушить двигатель 100 внутреннего сгорания.
ФИГ. 1В изображает схематический вид 120 эксплуатации системы теплообмена 150 во втором рабочем режиме. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 1А, имеют аналогичные номера и не будут представлены повторно.
Второму рабочему режиму соответствует вторая настройка отводного клапана 175 и клапана 52 РОГ, позволяющая регулировать поток отработавших газов. Во втором рабочем режиме отводной клапан 175 может находиться во втором (частично открытом) положении, а клапан 52 РОГ - в закрытом положении. Во втором рабочем режиме, в связи со вторым положением отводного клапана 175, первая часть отработавших газов (выходящая из турбины и регулятора давления наддува) может поступать в перепускной канал 174 в месте 106 соединения и течь через теплообменник 176. После прохождения через теплообменник 176, первая часть отработавших газов может вновь поступать в основной выпускной канал 102 через отводной клапан 175. Отработавшие газы могут далее течь через первое устройство 170 нейтрализации отработавших газов, второе устройство 171 нейтрализации отработавших газов и глушитель 172 с последующим сбросом в атмосферу по выхлопной трубе 35. Одновременно с этим, вторая (остальная) часть отработавших газов может быть направлена непосредственно в каталитический нейтрализатор без поступления в перепускной канал 174. Объединение первой и второй частей отработавших газов может происходить в основном выпускном канале 102 перед их поступлением в первое устройство 170 нейтрализации отработавших газов.
Систему теплообмена можно эксплуатировать во втором рабочем режиме (раскрытом выше), если температура первого устройства 170 нейтрализации отработавших газов (каталитического нейтрализатора отработавших газов) превышает первую температуру активации, и температура второго устройства 171 нейтрализации отработавших газов превышает вторую температуру активации. Или же систему теплообмена можно перевести во второй режим после того, по меньшей мере первое устройство 170 нейтрализации отработавших газов достигнет своей температуры активации. Пропускание части отработавших газов через теплообменник позволяет рекуперировать тепло из отработавших газов с помощью охлаждающей жидкости двигателя. Рекуперированное из отработавших газов тепло может служить для дальнейшего прогрева двигателя и для подачи тепла в салон транспортного средства, тем самым уменьшая паразитное потребление мощности двигателя (для работы вспомогательных систем, например, обогревателей) и повышая экономию топлива. Соотношение первой (охлаждаемой в теплообменнике 176) и второй (направляемой непосредственно в первое устройство 170 нейтрализации отработавших газов без охлаждения) частей отработавших газов можно определять в зависимости от потребностей в нагреве устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов. Для поддержания оптимальной работы устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов, за счет тепла из второй части отработавших газов можно поддерживать температуры устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов выше соответствующих температур активации. Регулирование первой части отработавших газов, текущей через теплообменник 176, позволяет регулировать тепло, рекуперируемое из отработавших газов, и поддерживать температуру отработавших газов, поступающих в первое устройство 170 нейтрализации отработавших газов, для оптимальной работы каталитического нейтрализатора. В одном примере первую часть можно увеличивать по мере того, как температура по меньшей мере первого устройства 170 нейтрализации отработавших газов возрастает сверх его (первой) температуры активации. В другом примере вторую часть можно увеличивать по мере того, как температура по меньшей мере первого устройства 170 нейтрализации отработавших газов падает ниже (первой) температуры активации. В зависимости от результата оценки соотношения, можно регулировать степень открытия отводного клапана 175 для пропуска потока первой части отработавших газов по перепускному каналу 174.
Для поддержания оптимальной работы устройства 170 нейтрализации отработавших газов нужно возмущение воздушно-топливного отношения (фазовое отклонение воздушно-топливного отношения) отработавших газов, поступающих в устройство. Так как часть (первая) отработавших газов, поступающая в устройство 170 нейтрализации отработавших газов, течет по более длинному маршруту, возможны нежелательные изменения воздушно-топливного отношения смеси отработавших газов, поступающей в устройство 170 нейтрализации отработавших газов. Для достижения фазового возмущения, подачу топлива в каждый рядов двигателя (с по меньшей мере двумя рядами) можно регулировать для создания между этими двумя рядами фазового отклонения возмущения воздушно-топливного отношения относительно друг друга. Отработавшие газы из двух рядов можно объединять для создания квазистехиометрической смеси перед поступлением в устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов. В связи с возможностью одновременного присутствия богатых и бедных отработавших газов, в устройства 170 и 171 нейтрализации будет постоянно поступать смесь с высокой реакционной способностью, тем самым улучшая функциональные характеристики устройств 170 и 171 в части реакционной способности.
Первая часть отработавших газов, поступающая в устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов, течет по более длинному маршруту через теплообменник 176, чем вторая часть отработавших газов, текущая непосредственно в устройства 170 и 171. Поэтому воздушно-топливное отношение смеси первой и второй частей может отличаться от необходимого воздушно-топливного отношения непосредственно выше по потоку от первого каталитического нейтрализатора. Например, может быть запрошено возмущение воздушно-топливного отношения в каталитическом нейтрализаторе в сторону обогащения, а сразу же после него - возмущение воздушно-топливного отношения в сторону обеднения. Соответственно, в цилиндры можно подать богатую смесь, а сразу же после этого - бедную смесь. При этом, из-за отставания первой части от второй части, к тому времени, когда богатая первая часть отработавших газов поступит в первый каталитический нейтрализатор, богатая вторая часть отработавших газов может уже пройти через первый каталитический нейтрализатор. Кроме того, бедная вторая часть отработавших газов может поступить в первый каталитический нейтрализатор одновременно с богатой первой частью отработавших газов, в результате чего смесь отработавших газов будет беднее, чем должна была быть.
Для поддержания запрошенного возмущения воздушно-топливного отношения, воздушно-топливные отношения при сгорании в цилиндрах можно регулировать поцилиндрово так, чтобы даже после направления по двум отдельным путям потока воздушно-топливное отношение смеси отработавших газов, поступающей в устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов, было на уровне целевого. Поцилиндровое регулирование воздушно-топливного отношения можно осуществлять в зависимости от соотношения входных сигналов от первого датчика 161 кислорода, соединенного с основным выпускным каналом 102 выше по потоку от перепускного канала 174 (отражающего результат оценки в реальном времени воздушно-топливного отношения отработавших газов перед поступлением в перепускной канал) и второго датчика 163 кислорода, соединенного с основным выпускным каналом 102 ниже по потоку от перепускного канала 174 (отражающего результат оценки в реальном времени воздушно-топливного отношения смеси первой и второй частей отработавших газов). Поцилиндровое регулирование воздушно-топливного отношения может включать в себя эксплуатацию первой группы цилиндров на смеси богаче стехиометрической и эксплуатацию второй группы цилиндров на смеси беднее стехиометрической, причем степень обогащения первой группы цилиндров и степень обеднения второй группы цилиндров зависят от целевой амплитуды и частоты возмущения воздушно-топливного отношения. В одном примере двигатель может представлять собой V-образный двигатель с первой группой цилиндров, образующей первый ряд, и второй группой цилиндров, образующей второй ряд. В другом примере двигатель может представлять собой однорядный двигатель с двумя группами цилиндров. Число цилиндров в первой группе цилиндров может быть не таким, как во второй группе цилиндров, при этом степень обогащения или обеднения можно регулировать в зависимости от числа цилиндров в каждой группе. Выпускной коллектор может представлять собой разветвленный выпускной коллектор с первой группой трактов, соединяющей первую группу цилиндров с первым выпускным коллектором, при этом вторая (другая) группа трактов соединяет вторую группу цилиндров со вторым выпускным коллектором. Порядок зажигания в двух группах цилиндров может быть разным, при этом объединение отработавших газов из одной группы цилиндров с отработавшими газами из второй группы цилиндров может происходить выше по потоку от перепускного канала 174. Порядок зажигания в двух группах цилиндров можно регулировать для направления отработавших газов из первой группы цилиндров (через первый выпускной коллектор) по перепускному каналу 174, а отработавших газов из второй группы цилиндров (через второй выпускной коллектор) - непосредственно в устройство 170 нейтрализации отработавших газов. Целевое возмущение воздушно-топливного отношения можно поддерживать путем регулирования моментов импульсов отработавших газов из первой группы и второй группы относительно друг друга. Необходимое возмущение воздушно-топливного отношения также можно поддерживать путем регулирования количества топлива, впрыскиваемого в конкретные цилиндры в разных группах цилиндров.
ФИГ. 1С изображает схематический вид 140 эксплуатации системы теплообмена 150 в третьем рабочем режиме. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 1А, имеют аналогичные номера и не будут представлены повторно.
Третьему рабочему режиму соответствует третья настройка отводного клапана 175 и клапана 52 РОГ, позволяющая регулировать поток отработавших газов. В третьем рабочем режиме отводной клапан 175 может находиться в первом положении, а клапан 52 РОГ - в открытом положении. В третьем рабочем режиме, в связи с открытием клапана 52 РОГ, первая часть отработавших газов, выходящая из турбины 116 и регулятора 90 давления наддува, может поступать в перепускной канал в месте 106 соединения, но без возврата в основной выпускной канал через отводной клапан 175. Вторая (остальная) часть отработавших газов может не поступать в перепускной канал, а течь непосредственно в выхлопную трубу через устройства 170 и 171 нейтрализации отработавших газов и глушитель 172. Первая часть отработавших газов, после охлаждения в теплообменнике 176, может поступать в подающую магистраль 180 РОГ в месте 108 соединения. РОГ можно подавать во впускной коллектор двигателя через подающую магистраль 180 РОГ и клапан 52 РОГ. В данном режиме теплообменник 176 работает как охладитель РОГ.
Систему двигателя можно эксплуатировать в третьем рабочем режиме (раскрытом выше) после активации устройств 170 и 171 нейтрализации отработавших газов и после прогрева двигателя и салона транспортного средства (когда тепло отработавших газов может не быть нужно для дальнейшего нагрева компонентов транспортного средства), при этом РОГ запрошена для работы двигателя. Подача более холодных РОГ позволяет улучшить топливную экономичность и качество выбросов. Соотношение первой (подаваемой в качестве РОГ) и второй (направляемой непосредственно в выхлопную трубу без охлаждения) частей отработавших газов можно определять в зависимости от необходимого уровня РОГ, в свою очередь зависящего от таких параметров работы двигателя, как нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, температура двигателя и т.п.Контроллер может определять необходимый уровень РОГ путем, непосредственно учитывающим результаты определения частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя, температуры двигателя и т.п., например, повышая уровень РОГ по мере роста нагрузки двигателя в области нагрузок от низких до средних, а затем снижая количество РОГ по мере роста нагрузки двигателя в области нагрузок от средних до высоких. Или же контроллер может определять необходимый уровень РОГ по табулированной зависимости в памяти контроллера, входными параметрами которой являются частота вращения двигателя и нагрузка двигателя, а результатом - количество РОГ или соотношение первой и второй частей отработавших газов. В зависимости от результата определения соотношения, можно регулировать проход клапана 52 РОГ для пропуска необходимого количества отработавших газов в перепускной канал 174 и подающую магистраль 180 РОГ.
В одном примере систему двигателя можно эксплуатировать в третьем рабочем режиме даже при наличии потребности в рекуперации тепла отработавших газов. При охлаждении РОГ в теплообменнике, тепло из отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник, с возможностью использования рекуперированного тепла для подачи тепла компонентам транспортного средства, например, в салон транспортного средства, головке блока цилиндров и т.п.
Вариант осуществления, отличный от варианта на ФИГ. 1А, представлен на ФИГ. 2А и раскрыт ниже на примере системы 200 двигателя. Все компоненты системы 200 двигателя могут быть идентичны компонентам системы 100 двигателя, за исключением системы 250 теплообмена. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 1А, имеют аналогичные номера и не будут представлены повторно. Как и в варианте на ФИГ. 1А, система 200 двигателя на ФИГ. 2А может также содержать систему 14 управления для управления работой двигателя. Различные режимы эксплуатации системы 250 теплообмена подробно раскрыты на примерах ФИГ. 2А-2С.
Как видно из ФИГ. 2А, система 200 двигателя содержит систему 250 теплообмена с первым устройством 270 нейтрализации отработавших газов, соединенным с основным выпускным каналом 102, и вторым устройством 271 нейтрализации отработавших газов, соединенным с основным выпускным каналом 102 ниже по потоку от первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов. Перепускной канал 274 может быть соединен с основным выпускным каналом 102 ниже по потоку от первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов в месте 206 соединения. Перепускной канал 274 может проходить от первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов в область выше по потоку от второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов. Перепускной канал 274 может быть расположен параллельно основному выпускному каналу 102. Теплообменник 276 может быть соединен с перепускным каналом 274 для охлаждения отработавших газов, проходящих по перепускному каналу 274. В одном примере теплообменник 276 представляет собой водно-газовый теплообменник. Система 155 охлаждения двигателя может быть соединена с теплообменником 276 отработавших газов для рекуперации тепла отработавших газов и охлаждения РОГ. Охлаждающая жидкость двигателя может поступать в теплообменник 276 по подводящей линии 160 охлаждающей жидкости с возможностью возврата, после циркуляции через теплообменник 276, в двигатель или направления в сердцевину обогревателя по отводящей линии 162 охлаждающей жидкости. Подающая магистраль 180 рециркуляции отработавших газов (РОГ) может быть соединена с перепускным каналом отработавших газов 274 в месте соединения 208 ниже по потоку от теплообменника 276 для подачи РОГ низкого давления (РОГ НД) во впускной коллектор двигателя выше по потоку от компрессора 114. В дополнительных вариантах система двигателя может содержать путь потока РОГ высокого давления, в котором осуществляют отбор отработавших газов из области выше по потоку от турбины 116 и их рециркуляцию во впускной коллектор двигателя ниже по потоку от компрессора 114. В еще одном варианте осуществления двигатель может быть безнаддувным, без турбонагнетателя, при этом может происходить отбор РОГ из выпускного канала (в показанном положении) и их подача во впускной коллектор. С магистралью 180 РОГ могут быть соединены один или несколько датчиков для выдачи информации о составе и состоянии 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. Из области ниже по потоку от первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов отработавшие газы могут течь ко второму устройству 271 нейтрализации отработавших газов по основному выпускному каналу 102 и/или перепускному каналу 274.
Отводной клапан 275 соединен с местом соединения основного выпускного канала 102 и перепускного канала 274 ниже по потоку от теплообменника 276 с возможностью регулирования потока отработавших газов по перепускному каналу 274. Клапан 52 РОГ может быть соединен с магистралью 180 РОГ в месте соединения магистрали 180 РОГ и заборного канала 42. Клапан 52 РОГ можно открывать для пропуска регулируемого количества отработавших газов во вход компрессора для обеспечения необходимых показателей сгорания и снижения токсичности выбросов. В зависимости от таких параметров работы, как температура двигателя, часть отработавших газов может быть отведена по перепускному каналу 274 и далее в выхлопную трубу 35 через второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов или во вход компрессора 114 через магистраль 180 РОГ и клапан 52 рециркуляции отработавших газов (РОГ). Проходы отводного клапана 275 и клапана 52 РОГ можно регулировать для регулирования потока отработавших газов через перепускной канал 274 и теплообменник 276.
Таким образом, на ФИГ. 1А-1С предложена система двигателя, содержащая: впускной коллектор двигателя, выпускную систему двигателя с выпускным каналом и системой теплообмена, при этом выпускной канал содержит датчик влажности отработавших газов, датчик температуры отработавших газов, датчик давления отработавших газов, один или несколько каталитических нейтрализаторов отработавших газов и глушитель, при этом перепускной канал соединен с выпускным каналом от места выше по потоку от одного или нескольких каталитических нейтрализаторов до места выше по потоку от глушителя, при этом система теплообмена включает в себя перепускной канал, вмещающий теплообменник, систему охлаждения, соединенную по текучей среде с теплообменником, блоком цилиндров двигателя и сердцевиной обогревателя, при этом система охлаждения содержит датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, отводной клапан, соединяющий выход перепускного канала с выпускным каналом, магистраль рециркуляции отработавших газов (РОГ) с клапаном РОГ для рециркуляции отработавших газов из перепускного канала ниже по потоку от теплообменника во впускной коллектор, первый датчик кислорода, соединенный с выпускным каналом выше по потоку от теплообменника и второй датчик кислорода, соединенный с выпускным каналом ниже по потоку от теплообменника. Система двигателя также содержит контроллер с машиночитаемыми инструкциями, сохраненными в долговременной памяти, для: оценки температуры двигателя посредством датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя и температуры каталитического нейтрализатора посредством датчика температуры отработавших газов, и, если температура каталитического нейтрализатора ниже пороговой, закрытия клапана РОГ и отводного клапана для подачи отработавших газов непосредственно в один или несколько каталитических нейтрализаторов, и если температура каталитического нейтрализатора выше пороговой и температура двигателя ниже пороговой, открытия отводного клапана для подачи первого количества отработавших газов из выпускного коллектора в один или несколько каталитических нейтрализаторов через теплообменник, и подачи второго, остального, количества непосредственно в один или несколько каталитических нейтрализаторов в обход теплообменника.
ФИГ. 2А иллюстрирует эксплуатацию системы 250 теплообмена в первом рабочем режиме. Первому рабочему режиму соответствует первая настройка отводного клапана 275 и клапана 52 РОГ, позволяющая регулировать поток отработавших газов. В первом рабочем режиме отводной клапан 275 может находиться в первом (полностью закрытом) положении, а клапан 52 РОГ - в закрытом положении. В первом рабочем режиме, в связи с первым положением отводного клапана 275, отработавшие газы, выходящие из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов, могут не поступать в перепускной канал 274, а течь вниз по потоку по основному выпускному каналу 102 во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов. После протекания через второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов и глушитель 172, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу по выхлопной трубе 35.
Систему 250 теплообмена можно эксплуатировать в первом рабочем режиме (раскрытом выше) в состояниях холодного пуска. В таких состояниях устройства 270 и 271 нейтрализации отработавших газов могут не функционировать оптимально, так как температура устройств могла не достигнуть соответствующих температур активации. Кроме того, РОГ может не требоваться в состояниях холодного пуска. Регулирование потока отработавших газов для направления горячих отработавших газов непосредственно через оба устройства 270 и 271 нейтрализации отработавших газов во время холодного пуска позволяет передавать тепло отработавших газов устройствам 270 и 271 нейтрализации, ускоряя их активацию. Таким образом, за счет горячих отработавших газов можно эффективно повышать температуру устройств 270 и 271 нейтрализации отработавших газов (каталитических нейтрализаторов). Ускорение активации каталитических нейтрализаторов за счет тепла отработавших газах снижает необходимость изменения момента зажигания в сторону запаздывания и, тем самым, повышает топливную экономичность двигателя. Более быстрое достижение температуры активации устройств 270 и 271 нейтрализации отработавших газов позволяет улучшить качество выбросов.
Систему 250 теплообмена также можно эксплуатировать в первом рабочем режиме в состояниях с температурой двигателя выше пороговой и нагрузкой двигателя выше пороговой. В состояниях с нагрузкой двигателя выше пороговой объем отработавших газов, подлежащий очистке обоими устройствами 270 и 271 нейтрализации отработавших газов, может быть больше. Для оптимальной работы устройств 270 и 271 нейтрализации отработавших газов, можно поддерживать целевое возмущение воздушно-топливного отношения в устройствах 270 и 271 нейтрализации отработавших газов. Для поддержания целевого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в устройства 270 и 271 нейтрализации отработавших газов, отработавшие газы могут быть направлены непосредственно из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов. Если вместо непосредственного направления отработавших газов первую часть отработавших газов направляют из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов по перепускному каналу, а вторую, остальную, часть - непосредственно из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов, две части отработавших газов, поступающие во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов, могут течь по двум разным маршрутам. Из-за разных маршрутов двух частей могут возникнуть нежелательные изменения целевого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов, что может отрицательно повлиять на эксплуатацию второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов во время потока отработавших газов относительно большого объема, например, в состояниях с относительно высокой нагрузкой. Поэтому, в таких состояниях с нагрузкой выше пороговой, систему теплообмена можно эксплуатировать в первом рабочем режиме для оптимального функционирования каждого из устройств 270 и 271 нейтрализации отработавших газов.
ФИГ. 2В изображает схематический вид 220 эксплуатации системы 250 теплообмена во втором рабочем режиме. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 2А, имеют аналогичные номера и не будут представлены повторно.
Второму рабочему режиму соответствует вторая настройка отводного клапана 275 и клапана 52 РОГ, позволяющая регулировать поток отработавших газов. Во втором рабочем режиме отводной клапан 275 может находиться во втором (частично открытом) положении, а клапан 52 РОГ - в закрытом положении. Во втором рабочем режиме, в связи со вторым положением отводного клапана 275, первая часть отработавших газов (выходящая из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов) может поступать в перепускной канал 274 в месте 206 соединения и течь через теплообменник 276. После прохождения через теплообменник 276, первая часть отработавших газов может вновь поступать в основной выпускной канал 102 через отводной клапан 275. Отработавшие газы могут далее течь через второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов и глушитель 172 с последующим сбросом в атмосферу по выхлопной трубе 35. Одновременно с этим, вторая (остальная) часть отработавших газов может быть направлена непосредственно из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов без поступления в перепускной канал 274. Объединение первой и второй частей отработавших газов может происходить в основном выпускном канале 102 перед их поступлением во второе устройство 270 нейтрализации отработавших газов.
Систему 250 теплообмена можно эксплуатировать во втором рабочем режиме (раскрытом выше) после того, как второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов достигнет своей температуры активации и будет активировано. Выпускную систему можно перевести из первого во второй режим в связи с активацией второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов, даже если первое устройство 270 нейтрализации отработавших газов еще не достигло своей температуры активации, так как во втором режиме отработавшие газы продолжают течь через первое устройство 270 нейтрализации отработавших газов перед их поступлением в перепускной канал 274. Пропускание части отработавших газов через теплообменник 276 позволяет рекуперировать тепло из отработавших газов с помощью охлаждающей жидкости двигателя. Рекуперированное из отработавших газов тепло может служить для дальнейшего прогрева двигателя и для подачи тепла в салон транспортного средства, тем самым уменьшая паразитное потребление мощности двигателя (для работы вспомогательных систем, например, обогревателей) и повышая экономию топлива. Соотношение первой (охлаждаемой в теплообменнике 276) и второй (направляемой непосредственно во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов без охлаждения) частей отработавших газов можно определять в зависимости от температуры второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов. Для поддержания оптимальной работы устройств 270 и 271 нейтрализации отработавших газов, температуру устройств можно поддерживать выше соответствующих температур активации. За счет тепла из второй части отработавших газов можно поддерживать температуру второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов выше его температуры активации. В одном примере первую часть можно увеличивать по мере возрастания температуры второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов сверх пороговой, причем пороговая температура может соответствовать температуре активации второго устройства 271 нейтрализации отработавших газов. В другом примере вторую часть можно увеличивать по мере падения температуры второго устройства 272 нейтрализации отработавших газов ниже температуры активации. В зависимости от результата оценки соотношения, можно регулировать степень открытия отводного клапана 275 для пропуска потока первой части отработавших газов по перепускному каналу 274, в то время как остальная, вторая, часть отработавших газов течет непосредственно по основному выпускному каналу 102 во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов.
Или же систему 250 теплообмена можно эксплуатировать во втором режиме в состояниях, когда нагрузка двигателя ниже пороговой, и все количество отработавших газов может быть эффективно очищено первым устройством 270 нейтрализации отработавших газов. Во время эксплуатации в данном режиме, поскольку отработавшие газы поступают во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов по двум разным путям потока, может иметь место разность целевого и фактического воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов, что может отрицательно повлиять на его работу. При этом, поскольку отработавшие газы по существу очищены первым устройством 270 нейтрализации отработавших газов до их поступления во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов, разность возмущения воздушно-топливного отношения может не повлиять существенно на производительность второго устройства нейтрализации отработавших газов или качество выбросов в целом.
ФИГ. 2С изображает схематический вид 240 эксплуатации системы 250 теплообмена в третьем рабочем режиме. Компоненты, представленные ранее на ФИГ. 2А, имеют аналогичные номера и не будут представлены повторно.
Третьему рабочему режиму соответствует третья настройка отводного клапана 275 и клапана 52 РОГ, позволяющая регулировать поток отработавших газов. В третьем рабочем режиме отводной клапан 275 может находиться в первом (полностью закрытом) положении, а клапан 52 РОГ - в открытом положении. В третьем рабочем режиме, в связи с открытием клапана 52 РОГ, первая часть отработавших газов, выходящая из первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов, может поступать в перепускной канал в месте 206 соединения, но без возврата в основной выпускной канал через отводной клапан 275. Вторая (остальная) часть отработавших газов может не поступать в перепускной канал, а течь непосредственно во второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов. Первая часть отработавших газов, после охлаждения в теплообменнике 276, может поступать в подающую магистраль 180 РОГ в месте 108 соединения. Охлажденные РОГ можно подавать во впускной коллектор двигателя через подающую магистраль 180 РОГ и клапан 52 РОГ. В данном режиме теплообменник 276 работает как охладитель РОГ.
Систему двигателя можно эксплуатировать в третьем рабочем режиме (раскрытом выше), если для достижения необходимого разбавления в двигателе запрашивают РОГ. Кроме того, когда имеет место данный запрос РОГ, устройство 270 нейтрализации отработавших газов могло уже достичь своей температуры активации, и дальнейший прогрев двигателя и салона транспортного средства может не быть нужен. Подача РОГ позволяет улучшить топливную экономичность и качество выбросов. Соотношение первой (подаваемой в качестве РОГ) и второй (направляемой непосредственно в выхлопную трубу без охлаждения) частей отработавших газов можно определять в зависимости от необходимого количества РОГ, в свою очередь могущего зависеть от таких параметров работы двигателя, как нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, температура двигателя и т.п. В одном примере контроллер может определять количество РОГ путем, непосредственно учитывающим такие параметры, как нагрузка двигателя, частота вращения двигателя, температура двигателя и т.п.В другом примере контроллер может определять уровень РОГ путем вычисления по табулированной зависимости, входными параметрами которой являются нагрузка двигателя, и/или частота вращения двигателя, и/или температура двигателя и т.п., а результатом -количество РОГ. В зависимости от результата определения соотношения, можно регулировать проход клапана 52 РОГ для пропуска необходимого количества отработавших газов в перепускной канал 274 и далее в подающую магистраль 180 РОГ. В одном примере проход клапана РОГ можно увеличивать по мере роста первой части (запрошенного количества РОГ) и соответствующего уменьшения второй части.
В одном примере систему двигателя можно эксплуатировать в третьем рабочем режиме, когда, помимо потребности в РОГ, есть потребность в рекуперации тепла отработавших газов. При охлаждении РОГ в теплообменнике, тепло из отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник, с возможностью подачи рекуперированного тепла таким компонентам транспортного средства, как салон транспортного средства, блок цилиндров двигателя, головка блока цилиндров и т.п. Кроме того, при наличии потребности и в РОГ, и в рекуперации тепла отработавших газов, отводной клапан 275 можно открыть для пропускания всего объема отработавших газов через теплообменник 276. После протекания через теплообменник 275, первая часть отработавших газов может поступать в подающую магистраль РОГ, а вторая (остальная) часть отработавших газов может вновь поступить в основной выпускной канал 102 и быть сброшена в атмосферу по выхлопной трубе 35. Соотношение первой и второй частей можно регулировать в зависимости от потребности в РОГ. Первую часть можно увеличивать, а вторую часть - соответственно уменьшать по мере роста потребности в РОГ, при этом первую часть можно уменьшать, а вторую часть - соответственно увеличивать, по мере падения потребности в РОГ. Проход клапана 52 РОГ можно регулировать в зависимости от первого положения, при этом проход клапана 52 увеличивают по мере увеличения первого положения и уменьшают по мере уменьшения первого положения.
Указанные три примера режимов эксплуатации системы теплообмена на ФИГ. 1А-1С и 2А-2С, раскрытые выше, представлены в табличной форме на ФИГ. 6. В строке 602 таблицы 600 представлены настройки, соответствующие эксплуатации обоих вариантов осуществления (с системой теплообмена перед каталитическим нейтрализатором и с системой теплообмена посередине между каталитическими нейтрализаторами) системы теплообмена в первом режиме, раскрытом на ФИГ. 1А и 2А, в строке 604 - настройки, соответствующие эксплуатации обоих вариантов системы теплообмена во втором режиме, раскрытом на ФИГ. 1В и 2В, а в строке 606 - настройки, соответствующие эксплуатации обоих вариантов системы теплообмена в третьем режиме, раскрытом на ФИГ. 1С и 2С.
На ФИГ. 3 раскрыт пример 300 осуществления системы 5 охлаждения в автотранспортном средстве 6. Система 5 охлаждения осуществляет циркуляцию охлаждающей жидкости двигателя через двигатель 10 внутреннего сгорания и распределение рекуперированного тепла из теплообменника 54 отработавших газов в двигателе 10 внутреннего сгорания по линии 84 охлаждающей жидкости. В одном примере система 5 охлаждения может представлять собой систему 155 охлаждения, а теплообменник 54 отработавших газов - теплообменник 176 на ФИГ. 1А-1С и теплообменник 276 на ФИГ. 2А-2С.
Система 5 охлаждения осуществляет циркуляцию охлаждающей жидкости двигателя из двигателя 10 сгорания в сердцевину 90 обогревателя по линии 89 охлаждающей жидкости, а также в радиатор 80 и/или перепускную линию 87 радиатора по линии 82 охлаждающей жидкости. Поток охлаждающей жидкости из радиатора 80 по линии 82 охлаждающей жидкости и поток охлаждающей жидкости в обход радиатора по линии 87 охлаждающей жидкости могут сливаться в термостатическом клапане 38, регулирующим разделение потока между радиатором 80 и перепускной линией 87 радиатора. В одном примере система 5 охлаждения может представлять собой систему 155 охлаждения, а теплообменник 54 отработавших газов - теплообменник 176 на ФИГ. 1А-1С.
В частности, на ФИГ. 3 изображена система 5 охлаждения, соединенная с двигателем 10 и осуществляющая циркуляцию охлаждающей жидкости двигателя из двигателя 10 через теплообменник 54 отработавших газов в радиатор 80 и/или перепускную линию 87 радиатора посредством приводимого от двигателя (или электрического) водяного насоса 86 и обратно в двигатель 10. Первая линия 84 охлаждающей жидкости может соединять двигатель с теплообменником 54. Циркуляцию охлаждающей жидкости из теплообменника 54 в двигатель 10 можно осуществлять по первому контуру 84 охлаждающей жидкости. Водяной насос 86 может быть соединен с двигателем посредством переднерасположенного привода 37 вспомогательных агрегатов ППВА (FEAD) с возможностью вращения пропорционально частоте вращения двигателя посредством ремня, цепи и т.п.А именно, водяной насос 86 осуществляет циркуляцию охлаждающей жидкости по каналам в блоке цилиндров двигателя, головке блока цилиндров и т.п., для поглощения тепла двигателя с последующей его передачей через радиатор 80 воздуху окружающей среды, регулируемой термостатическим клапаном 38. В примере, где насос 86 является центробежным, создаваемое им давление (и возникающий в результате поток) может быть пропорционально частоте вращения коленчатого вала, которая может быть прямо пропорциональна частоте вращения двигателя. Температуру охлаждающей жидкости может регулировать термостатический клапан 38, который можно удерживать закрытым до тех пор, пока охлаждающая жидкость не достигнет пороговой температуры, тем самым уменьшая передачу тепла от радиатора 80 воздуху окружающей среды.
После прохождения через двигатель 10, охлаждающая жидкость может выходить из него по линии 89 охлаждающей жидкости, после чего нагретая охлаждающая жидкость двигателя может течь в сердцевину 90 обогревателя. После циркуляции через сердцевину 90 обогревателя, охлаждающая жидкость вновь поступает в двигатель по линии 89 охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость, выходящая из двигателя по линии 82 охлаждающей жидкости, может течь через радиатор 80 или по перепускной линии 87 радиатора, при этом ее поток регулирует термостатический клапан 38, направляя его по перепускной линии 87 радиатора в состояниях, когда температура двигателя (температура охлаждающей жидкости) ниже пороговой.
Вентилятор 93 может быть соединен с радиатором 80 для увеличения потока воздуха через радиатор 80 для поддержания температуры охлаждающей жидкости ниже необходимого порога. В некоторых примерах скорость вентилятора может регулировать непосредственно контроллер двигателя. Или же вентилятор 93 может быть соединен с двигателем с возможностью приведения в действие непосредственно от него.
Теплообменник 54 отработавших газов выполнен с возможностью отбора тепла из отработавших газов в состояниях холодного пуска, и когда может быть нужен нагрев двигателя и/или обогрев салона. В одном примере можно осуществлять циркуляцию охлаждающей жидкости двигателя через теплообменник 54 с возможностью передачи тепла от отработавших газов охлаждающей жидкости двигателя и последующего направления нагретой (отобранным из отработавших газов теплом) охлаждающей жидкости через двигатель 10 по первому контуру 84 охлаждающей жидкости. Затем можно осуществлять циркуляцию охлаждающей жидкости через сердцевину 90 обогревателя по линии 89 охлаждающей жидкости. Может происходить передача тепла от охлаждающей жидкости двигателя двигателю 10 и/или сердцевине 90 обогревателя с возможностью нагрева двигателя 10 (в том числе стенок и поршней цилиндров) и пассажирского салона 4 за счет тепла, отбираемого из охлаждающей жидкости двигателя. После прохождения через сердцевину обогревателя, происходит возврат охлаждающей жидкости в двигатель 10 по линии 89 охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость, выходящая из двигателя по линии 82 охлаждающей жидкости, может течь через радиатор 80 и/или перепускную линию 87 радиатора. После протекания через радиатор 80, происходит возврат охлаждающей жидкости в двигатель 10 через термостатический клапан 38, при этом охлаждающая жидкость, текущая в обход радиатора по перепускной линии 87 радиатора, также возвращается в двигатель 10 через термостатический клапан 38.
Система 50 рециркуляции отработавших газов (РОГ) выполнена с возможностью направления необходимой части отработавших газов из выпускного коллектора 48 во впускной коллектор 44 через теплообменник 54 отработавших газов и магистраль 59 РОГ. Когда происходит подача РОГ, теплообменник 54 отработавших газов может служить охладителем РОГ с возможностью охлаждения РОГ, подаваемых во впускной коллектор, в теплообменнике 54 отработавших газов. После охлаждения РОГ, охлаждающую жидкость можно направить в двигатель 10, а затем - в сердцевину 90 обогревателя, перепускную линию 87 радиатора и/или радиатор 80. В состояниях, когда нужен нагрев двигателя и/или нагрев пассажирского салона, за счет тепла отработавших газов можно повышать температуру двигателя и пассажирского салона 4 путем передачи тепла охлаждающей жидкости через теплообменник 54, как раскрыто выше. Количество РОГ, подаваемых во впускной коллектор 44, может регулировать контроллер 12 посредством клапана 51 РОГ. Кроме того, в магистрали 59 РОГ может быть расположен датчик РОГ (не показан) с возможностью определения давления, и/или температуры, и/или концентрации отработавших газов.
ФИГ. 4 иллюстрирует первый пример способа 400 с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через перепускной блок в первом варианте осуществления системы теплообмена отработавших газов на ФИГ. 1А-1С. Инструкции для выполнения способа 400 и остальных раскрытых в настоящем описании способов может реализовывать контроллер в соответствии с инструкциями в памяти контроллера и во взаимосвязи с сигналами от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примерах ФИГ. 1А-1С. Контроллер может задействовать исполнительные устройства системы двигателя для регулирования работы двигателя в соответствии с раскрытыми ниже способами.
На шаге 402 алгоритм предусматривает оценку и/или измерение параметров работы двигателя. В число оцениваемых параметров могут входить, например, температура двигателя, нагрузка двигателя, запрашиваемый водителем крутящий момент, частота вращения двигателя, положение дросселя, давление отработавших газов, воздушно-топливное отношение отработавших газов, параметры окружающей среды, в том числе температура, давление и влажность окружающей среды, ДВК, МРВ, наддув и т.п.
На шаге 404 алгоритм предусматривает определение того, работает ли транспортное средство в состояниях холодного пуска. Состояние холодного пуска двигателя может быть подтверждено, если двигатель запускают после продолжительного периода бездействия двигателя, когда температура двигателя ниже порога (например, ниже температуры активации каталитического нейтрализатора отработавших газов), и при этом температура окружающей среды ниже порога. В состояниях холодного пуска может быть нужно ускорение нагрева каталитических нейтрализаторов отработавших газов для улучшения качества выбросов, а рециркуляция отработавших газов (РОГ) может не быть нужна для оптимальной работы двигателя.
Если состояния холодного пуска двигателя будут подтверждены, алгоритм следует на шаг 406 для эксплуатации системы перепуска отработавших газов в первом рабочем режиме. Эксплуатация в первом режиме, раскрытом на примере ФИГ.1 А, включает в себя: установку клапана РОГ (например, клапана 52 РОГ на ФИГ. 1А) в закрытое положение на шаге 407 и перемещение отводного клапана (например, отводного клапана 175 на ФИГ. 1А), соединенного с местом соединения перепускного канала (например, перепускного канала 174 на ФИГ. 1А) и основного выпускного канала в первое, полностью закрытое, положение на шаге 408.
В связи с полностью закрытым положением отводного клапана, на шаге 409 весь объем отработавших газов, выходящих из газовой турбины и регулятора давления наддува, может не поступать в перепускной канал, а течь вниз по потоку по основному выпускному каналу в каталитические нейтрализаторы отработавших газов (например, устройства 170 и 171 нейтрализации на ФИГ. 1А). За счет тепла из отработавших газов можно нагревать устройства нейтрализации отработавших газов, тем самым ускоряя достижение температуры активации каждого из каталитических нейтрализаторов. Ускорение достижения температуры активации каталитического нейтрализатора за счет тепла отработавших газов позволяет снизить необходимость в запаздывании зажигания и, тем самым, повысить топливную экономичность двигателя с одновременным улучшением качества выбросов.
На шаге 410 алгоритм предусматривает определение того, достиг ли каталитический нейтрализатор (нейтрализаторы) выпускной системы соответствующей температуры активации. Когда каталитические нейтрализаторы достигнут своих температур активации, они смогут оптимально работать, улучшая качество выбросов. Кроме того, если будет установлено (на шаге 404), что двигатель не работает в состояниях холодного пуска, а, например, находится в состоянии горячего пуска, алгоритм может перейти сразу на шаг 410.
Если будет подтверждено, что каталитические нейтрализаторы отработавших газов еще не достигли своей температуры активации, алгоритм может перейти на шаг 406, на котором теплообменник эксплуатируют в первом режиме, и отработавшие газы направляют непосредственно в каталитические нейтрализаторы до тех пор, пока по меньшей мере верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов не достигнет своей температуры активации. Или же систему теплообмена можно продолжить эксплуатировать в первом режиме до тех пор, пока каждый из каталитических нейтрализаторов отработавших газов не достигнет соответствующей температуры активации.
Если будет подтверждено, что по меньшей мере верхний по потоку каталитический нейтрализатор достиг своей температуры активации или оба каталитических нейтрализатора отработавших газов достигли соответствующих температур активации, на шаге 412 выпускную систему можно эксплуатировать во втором режиме. Эксплуатация во втором режиме, раскрытом на примере ФИГ. 1В, включает в себя: оставление клапана РОГ в закрытом положении на шаге 413 и установку отводного клапана во второе (частично открытое) положение на шаге 414. Во втором положении степень открытия отводного клапана можно варьировать в зависимости от соотношения температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора и его температуры активации для регулирования количества отработавших газов, поступающих в перепускной канал.
В связи со вторым положением отводного клапана, на шаге 416 первая часть отработавших газов, выходящая из турбины и регулятора давления наддува, может поступать в перепускной канал, течь через теплообменник, а затем вновь поступать в основной выпускной канал выше по потоку от обоих каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Вторая часть отработавших газов может не поступать в перепускной канал, и может течь непосредственно в каталитические нейтрализаторы отработавших газов. За счет тепла из второй части отработавших газов можно поддерживать рабочую температуру по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора не ниже его температуры активации. В одном примере соотношение первой (направляемой через теплообменник) и второй (направляемой в обход теплообменника) частей может зависеть от соотношения температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора и его температуры активации. Первую часть можно уменьшать, а вторую часть - соответственно увеличивать по мере того, как температура верхнего по потоку каталитического нейтрализатора падает до уровня ниже температуры активации.
Аналогичным образом, первую часть можно увеличивать для увеличения рекуперации тепла отработавших газов, а вторую часть - соответственно уменьшать по мере того, как температура верхнего по потоку каталитического нейтрализатора возрастает сверх температуры активации. Проход отводного клапана можно регулировать для пропуска первой части, при этом проход увеличивают по мере роста первой части и уменьшают по мере уменьшения первой части. Например, если температура верхнего по потоку каталитического нейтрализатора упадет значительно ниже своей температуры активации (например, ниже пороговой), отводной клапан может быть полностью закрыт для пропускания всего объема отработавших газов через верхний и нижний по потоку каталитические нейтрализаторы без протекания каких-либо отработавших газов через теплообменник (отсутствие рекуперации тепла отработавших газов). В другом примере соотношение первой и второй частей может зависеть и от соотношения температуры верхнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов и его температуры активации, и от соотношения температуры нижнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов и его температуры активации. Первую часть можно уменьшать, а вторую часть - соответственно увеличивать, если температура верхнего по потоку каталитического нейтрализатора или нижнего по потоку каталитического нейтрализатора падает ниже соответствующей температуры активации.
На шаге 418 тепло из первой части отработавших газов, текущей через теплообменник, может быть передано охлаждающей жидкости, текущей через теплообменник. Можно осуществить циркуляцию охлаждающей жидкости, нагретой за счет передачи тепла в теплообменнике, в двигатель и сердцевину обогревателя с возможностью ее использования для нагрева других компонентов транспортного средства, например, головки блока цилиндров, блока цилиндров двигателя и пространства салона транспортного средства. Например, температура салона транспортного средства может быть ниже запрошенной температура, и может быть нужен обогрев салона. Поэтому, в зависимости от потребности в обогреве салона, запрошенном водителем транспортного средства (например, заданной температуры в салоне), можно осуществить передачу тепла из сердцевины обогревателя салон.
Например, забор воздуха в салон может происходить через сердцевину обогревателя, обеспечивая возможность прогрева салона. Также возможна циркуляция нагретой охлаждающей жидкости в блок цилиндров двигателя и головку блока цилиндров для повышения температур двигателя. Таким образом, тепло и из первой, и из второй частей отработавших газов можно использовать для подачи тепла компонентам транспортного средства по мере необходимости.
На шаге 420 можно поцилиндрово регулировать воздушно-топливное отношение для поддержания необходимого возмущения воздушно-топливного отношения в потоке отработавших газов, поступающих в каталитические нейтрализаторы (вход верхнего по потоку каталитического нейтрализатора). Иными словами, за счет возмущений воздушно-топливного отношения, создаваемых поцилиндровым регулированием воздушно-топливного отношения, можно обеспечивать целевое воздушно-топливное отношение в каталитических нейтрализаторах. Возмущение воздушно-топливного отношения может обеспечить оптимальную эксплуатацию по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Возмущения воздушно-топливного отношения (колебания от обеднения до обогащения) в отработавших газах, поступающих в верхний по потоку каталитический нейтрализатор, вызывает фазовое отклонение отработавших газов из двух групп цилиндров. Необходимое возмущение воздушно-топливного отношения может быть создано путем регулирования подачи топлива в первую группу цилиндров относительно подачи топлива во вторую группу цилиндров. Отработавшие газы из двух групп цилиндров могут быть объединены с образованием квазистехиометрической смеси перед поступлением в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов. Благодаря необходимому фазовому возмущению воздушно-топливного отношения, в каталитические нейтрализаторы может одновременно поступать реакционно-способная смесь богатых и бедных отработавших газов, что улучшает реакционную способность каталитических нейтрализаторов. Подачу топлива можно регулировать поцилиндрово в зависимости от соотношения первой (направляемой в каталитические нейтрализаторы через теплообменник) и второй (направляемой в каталитические нейтрализаторы в обход теплообменника) частей отработавших газов для обеспечения целевого воздушно-топливного отношения отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Первая часть отработавших газов, поступающая в каталитический нейтрализатор, течет по более длинному маршруту через теплообменник, чем вторая часть отработавших газов, текущая непосредственно в каталитические нейтрализаторы, поэтому возможны нежелательные изменения необходимого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в каталитические нейтрализаторы. В одном примере регулирование подачи топлива в зависимости от соотношения первой и второй частей включает в себя регулирование подачи топлива в зависимости от соотношения запаздывания перемещения первой части отработавших газов по перепускному каналу и запаздывания перемещения второй части отработавших газов по основному выпускному каналу. Подачу топлива можно поцилиндрово регулировать в зависимости от входного сигнала первого датчика кислорода, расположенного выше по потоку от теплообменника (выше по потоку от перепускного канала) в основном выпускном канале (отражающего воздушно-топливное отношение отработавших газов перед поступлением в перепускной канал), и второго датчика кислорода, расположенного ниже по потоку от теплообменника (ниже по потоку от отводного клапана и выше по потоку от каталитических нейтрализаторов отработавших газов) в основном выпускном канале (отражающего воздушно-топливное отношение смеси первой и второй частей отработавших газов). В одном примере, где двигатель содержит первую группу цилиндров, отработавшие газы из которой поступают в первый тракт, и вторую группу цилиндров, отработавшие газы из которой поступают во второй, другой, тракт, первая часть отработавших газов может включать в себя отработавшие газы, поступившие в первый момент из первой группы цилиндров, а вторая часть отработавших газов - отработавшие газы, поступившие во второй момент из второй, другой, группы цилиндров. В данном случае, когда целевое возмущение воздушно-топливного отношения у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора представляет собой возмущение воздушно-топливного отношения в сторону обогащения (то есть богаче стехиометрического), в первую группу цилиндров можно подавать топливо так, чтобы смесь в ней была богаче стехиометрической, а во вторую группу цилиндров можно подавать топливо так, чтобы смесь в ней была беднее стехиометрической, при этом степень обогащения первой группы цилиндров выбирают выше степени обеднения второй группы цилиндров. В результате, ВТО смеси первой и второй частей, поступающей в верхний по потоку каталитический нейтрализатор, может быть равно или приблизительно равно целевому богатому ВТО. Аналогичным образом, когда целевое возмущение воздушно-топливного отношения у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора представляет собой возмущение воздушно-топливного отношения в сторону обеднения, топливо в первую группу цилиндров можно подавать так, чтобы смесь в ней была беднее стехиометрической, а во вторую группу цилиндров - так, чтобы смесь в ней была богаче стехиометрической, при этом степень обеднения первой группы цилиндров выбирают выше степени обогащения второй группы цилиндров. В результате, ВТО смеси первой и второй частей, поступающей в верхний по потоку каталитический нейтрализатор, может быть равно или приблизительно равно целевому бедному ВТО. Можно применять множитель для регулирования подачи топлива каждой форсункой так, чтобы количества топлива, впрыскиваемого через каждую форсунку, можно было регулировать для поддержания целевого возмущения воздушно-топливного отношения.
На шаге 422 алгоритм предусматривает определение того, нужна ли дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов. В одном примере температура двигателя уже могла достигнуть оптимальной рабочей температуры, и дальнейший нагрев двигателя может не быть нужен. Кроме того, дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов может не требоваться, когда температура салона транспортного средства достигнет запрошенной температуры.
Если будет установлено, что дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов нужна, на шаге 424 можно продолжить эксплуатацию системы теплообмена во втором режиме и рекуперацию тепла из по меньшей мере части отработавших газов до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не превысит пороговую. Если будет подтверждено, что дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов не нужна, алгоритм может перейти на шаг 426.
На шаге 426 алгоритм предусматривает определение того, нужна ли РОГ. Потребность в РОГ можно оценивать в зависимости от параметров работы двигателя, в том числе - частоты вращения двигателя и нагрузки двигателя. Контроллер может определять потребность в РОГ путем, непосредственно учитывающим результаты определения частоты вращения двигателя, нагрузки двигателя, температуры двигателя и т.п., например, повышая количество РОГ по мере роста нагрузки двигателя в области нагрузок от низких до средних, а затем снижая количество РОГ по мере роста нагрузки двигателя в области нагрузок от средних до высоких. Или же контроллер может определять потребность в РОГ, обращаясь к табулированной зависимости в памяти контроллера, при этом входными параметрами табулированной зависимости являются частота вращения двигателя и нагрузка двигателя, а результатом - количество РОГ или положение (или степень открытия) клапана РОГ, соответствующее количеству РОГ.
Если будет установлено, что при текущих параметрах работы двигателя РОГ не нужна, на шаге 428 выпускную систему можно эксплуатировать в первом режиме путем установки отводного клапана в первое положение, при этом клапан РОГ оставляют закрытым. В первом режиме отработавшие газы могут не поступать в перепускной канал и могут течь непосредственно в выхлопную трубу через каталитические нейтрализаторы. Выпускную систему также можно переводить в первый режим в состояниях с нагрузкой двигателя выше пороговой. Эксплуатация выпускной системы во втором режиме в состояниях с относительно высокой нагрузкой может ухудшить эксплуатационные показатели двигателя из-за роста противодавления отработавших газов, в результате чего возрастает работа на совершение насосных ходов и, как следствие, падает момент на выходном валу. Продолжение рекуперации тепла в состояниях с относительно высокой нагрузкой может привести к перегреву охлаждающей жидкости и ухудшению характеристик системы охлаждения.
Если будет подтверждено, что РОГ нужна для работы двигателя, в связи с запросом РОГ, на шаге 430 выпускную систему можно эксплуатировать в третьем режиме. Эксплуатация в третьем режиме, раскрытом на примере ФИГ. 1С, включает в себя: установку клапана РОГ в открытое положение на шаге 431 и перемещение отводного клапана в первое, полностью закрытое, положение на шаге 432. Степень открытия клапана РОГ можно регулировать в зависимости от потребности в РОГ.
На шаге 434, в зависимости от потребности в РОГ (оцененной на шаге 416), можно осуществить рециркуляцию запрошенного первого количества отработавших газов во впускной коллектор через теплообменник и подающую магистраль РОГ, при этом происходит охлаждение запрошенного количества РОГ в теплообменнике, а второе (остальное) количество отработавших газов может быть направлено непосредственно в каталитические нейтрализаторы по основному выпускному каналу без охлаждения в теплообменнике. В данном режиме теплообменник может работать как охладитель РОГ. В одном примере соотношение первой (подаваемой в качестве РОГ) и второй (непосредственно текущей в выхлопную трубу) частей отработавших газов можно определять в зависимости от потребности в РОГ и соотношения температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора и его температуры активации, при этом первую часть можно уменьшать, а вторую часть - соответственно увеличивать, по мере падания температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора до уровня ниже его температуры активации. Первую часть можно увеличивать, а вторую часть - соответственно уменьшать по мере того, как растет температура по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора (выше его температуры активации) и растет потребность в РОГ. В другом примере соотношение первой и второй частей отработавших газов можно определять в зависимости только от потребности в РОГ, при этом первую часть можно увеличивать, а вторую часть - соответственно уменьшать, по мере роста потребности в РОГ. Первую часть можно уменьшать, а вторую часть - соответственно увеличивать, по мере падения потребности в РОГ. Проход клапана РОГ можно регулировать в зависимости от соотношения первой и второй частей, при этом проход увеличивают по мере роста первой части и уменьшают по мере уменьшения первой части.
Таким образом, за счет единственного теплообменника перед каталитическим нейтрализатором можно осуществлять рекуперацию тепла отработавших газов и охлаждение РОГ, при этом поддерживая температуру одного или нескольких каталитических нейтрализаторов отработавших газов выше их температур активации.
ФИГ. 5 иллюстрирует первый пример способа 500 с возможностью реализации для регулирования потока отработавших газов через перепускной блок во втором варианте осуществления системы теплообмена на ФИГ. 2А-2С.
На шаге 502 алгоритм предусматривает оценку и/или измерение параметров работы двигателя. В число оцениваемых параметров могут входить, например, температура двигателя, нагрузка двигателя, запрашиваемый водителем крутящий момент, частота вращения двигателя, положение дросселя, давление отработавших газов, воздушно-топливное отношение отработавших газов, параметры окружающей среды, в том числе температура, давление и влажность окружающей среды, ДВК, МРВ, наддув и т.п.
На шаге 504 алгоритм предусматривает определение того, работает ли транспортное средство в состояниях холодного пуска. Состояние холодного пуска двигателя может быть подтверждено, если двигатель запускают после продолжительного периода бездействия двигателя, когда температура двигателя ниже порога (например, ниже температуры активации каталитического нейтрализатора отработавших газов), и при этом температура окружающей среды ниже порога. В состояниях холодного пуска может быть нужно ускорение нагрева каталитических нейтрализаторов отработавших газов для улучшения качества выбросов, а рециркуляция отработавших газов (РОГ) может не быть нужна для оптимальной работы двигателя.
Если состояния холодного пуска двигателя будут подтверждены, алгоритм следует на шаг 506 для эксплуатации системы теплообмена в первом рабочем режиме. Эксплуатация в первом режиме, раскрытом на примере ФИГ. 2А, включает в себя: установку клапана РОГ (например, клапана 52 РОГ на ФИГ. 2А) в закрытое положение на шаге 507 и перемещение отводного клапана (например, отводного клапана 275 на ФИГ. 2А), соединенного с местом соединения перепускного канала (например, перепускного канала 274 на ФИГ. 2А) и основного выпускного канала, в первое (полностью закрытое) положение на шаге 508.
В связи с полностью закрытым положением отводного клапана, на шаге 509 весь объем отработавших газов, выходящих из первого устройства нейтрализации отработавших газов (например, первого устройства 270 нейтрализации отработавших газов на ФИГ. 2А), может не поступать в перепускной канал, а течь вниз по потоку по основному выпускному каналу во второе устройство нейтрализации отработавших газов (например, второе устройство 271 нейтрализации отработавших газов на ФИГ. 2А). За счет тепла из отработавших газов можно повышать температуры обоих устройств нейтрализации отработавших газов (каталитических нейтрализаторов), тем самым ускоряя достижение температур активации каталитических нейтрализаторов. Ускорение достижения температуры активации каталитического нейтрализатора за счет тепла отработавших газов позволяет снизить необходимость в запаздывании зажигания и, тем самым, повысить топливную экономичность двигателя с одновременным улучшением качества выбросов.
На шаге 510 алгоритм предусматривает определение того, достигло ли второе устройство нейтрализации отработавших газов своей температуры активации. Когда первое и второе устройства нейтрализации отработавших газов достигнут соответствующих температур активации, каталитические нейтрализаторы смогут оптимально работать, улучшая качество выбросов. Отработавшие газы могут течь сначала через первое устройство нейтрализации отработавших газов (перед протеканием через теплообменник) во время эксплуатации системы теплообмена в первом, втором и третьем режимах. Поэтому выбор режима в варианте осуществления системы теплообмена посередине между каталитическими нейтрализаторами может не быть непосредственно связан с температурой первого устройства нейтрализации отработавших газов. Кроме того, если будет установлено (на шаге 504), что двигатель не работает в состояниях холодного пуска, а, например, находится в состоянии горячего пуска, алгоритм может перейти сразу на шаг 510.
Если будет подтверждено, что второй каталитический нейтрализатор отработавших газов еще не достиг температуры активации, алгоритм может перейти на шаг 506 для эксплуатации выпускной системы в первом режиме для подачи отработавших газов непосредственно через оба каталитических нейтрализатора отработавших газов до тех пор, пока второй каталитический нейтрализатор отработавших газов не достигнет своей температуры активации и не станет полностью готов к работе. Если будет подтверждено, что второй каталитический нейтрализатор отработавших газов достиг своей температуры активации, на шаге 512 выпускную систему можно эксплуатировать во втором режиме. Эксплуатация во втором режиме, раскрытом на примере ФИГ. 2В, включает в себя: оставление клапана РОГ в закрытом положении на шаге 513 и перемещение отводного клапана во второе положение (частично открытое) на шаге 514. Во втором положении проход отводного клапана можно варьировать для регулирования количества отработавших газов, поступающих в перепускной канал.
В связи со вторым положением отводного клапана, на шаге 516 первая часть отработавших газов, выходящая из первого устройства нейтрализации отработавших газов, может поступать в перепускной канал, течь через теплообменник, а затем вновь поступать в основной выпускной канал выше по потоку от второго устройства нейтрализации отработавших газов. Вторая часть отработавших газов может не поступать в перепускной канал, а может течь непосредственно из области ниже по потоку от первого устройства нейтрализации отработавших газов во второе устройство нейтрализации отработавших газов в обход теплообменника. За счет тепла из второй части отработавших газов можно поддерживать рабочую температуру второго устройства нейтрализации отработавших газов выше его температуры активации. Соотношение первой (направляемой через теплообменник) и второй (направляемой в обход теплообменника) частей может зависеть от соотношения температуры второго каталитического нейтрализатора отработавших газов и его температуры активации.
Первую часть можно уменьшать, а вторую часть - соответственно увеличивать по мере уменьшения температуры второго каталитического нейтрализатора отработавших газов до уровня ниже температуры активации. Аналогичным образом, первую часть можно увеличивать для увеличения рекуперации тепла отработавших газов, а вторую часть - соответственно уменьшать, по мере того, как температура второго каталитического нейтрализатора отработавших газов возрастает сверх температуры активации. Проход отводного клапана можно регулировать в зависимости от первой части, при этом проход увеличивают по мере роста первой части и уменьшают по мере уменьшения первой части. Например, если температура второго каталитического нейтрализатора отработавших газов упадет значительно ниже своей температуры активации (например, ниже пороговой), отводной клапан может быть полностью закрыт для подачи всего объема отработавших газов из первого каталитического нейтрализатора отработавших газов во второй каталитический нейтрализатор отработавших газов без протекания каких-либо отработавших газов через теплообменник (отсутствие рекуперации тепла отработавших газов).
На шаге 518, при протекании отработавших газов через теплообменник, в теплообменнике может быть рекуперировано тепло отработавших газов. А именно, тепло из отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, текущей через теплообменник. За счет тепла отработавших газов можно нагревать охлаждающую жидкость, циркулирующую через теплообменник, с возможностью циркуляции нагретой охлаждающей жидкости через двигатель и/или сердцевину обогревателя для нагрева за счет данного тепла других компонентов системы транспортного средства. Например, если водитель транспортного средства запросит обогрев салона в связи с тем, что температура салона транспортного средства ниже необходимой, можно осуществить циркуляцию нагретой охлаждающей жидкость через сердцевину обогревателя и обеспечить обогрев салона. Таким образом, в зависимости от потребности в обогреве салона, запрошенном водителем транспортного средства (например, заданной температуры в салоне), можно осуществить передачу тепла из сердцевины обогревателя в салон. Например, забор воздуха в салон может происходить через сердцевину обогревателя, обеспечивая возможность прогрева салона. Также можно осуществлять циркуляцию нагретой охлаждающей жидкости в блок цилиндров двигателя и головку блока цилиндров для повышения температуры двигателя, тем самым улучшая эксплуатационные показатели двигателя в условиях низких температур.
На шаге 520 алгоритм предусматривает определение того, нужна ли дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов. В одном примере температура двигателя могла уже достигнуть оптимальной рабочей температуры, и дальнейший нагрев двигателя может не быть нужен. Кроме того, дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов может не требоваться, когда температура салона транспортного средства достигнет запрошенной температуры.
Если будет установлено, что продолжение рекуперации тепла отработавших газов нужно, на шаге 522 можно продолжить эксплуатацию выпускной системы во втором режиме и рекуперацию тепла из первой части отработавших газов до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не возрастет до пороговой. Если будет установлено, что дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов не нужна, алгоритм может перейти на шаг 524.
На шаге 524 алгоритм предусматривает определение того, запрошена ли РОГ для работы двигателя. РОГ может быть нужна после того, как каталитический нейтрализатор (нейтрализаторы) отработавших газов достигнет соответствующей температуры (температур) активации и оптимальных функциональных возможностей. РОГ может быть запрошена для создания необходимого разбавления в двигателе и, тем самым, повышения топливной экономичности и качества выбросов. Запрашиваемое количество РОГ может зависеть от параметров работы двигателя, в том числе - нагрузки двигателя, частоты вращения двигателя, температуры двигателя и т.п.Например, контроллер может обратиться к табулированной зависимости, входным параметром которой являются частота вращения и нагрузка двигателя, а результатом - сигнал, соответствующий степени открытия, для подачи клапану РОГ, при этом степень открытия обеспечивает величину разбавления, соответствующую введенной комбинации частоты вращения и нагрузки двигателя. В дополнительных примерах контроллер может использовать модель, устанавливающую зависимость между изменением нагрузки двигателя и изменением потребности двигателя в разбавлении, а также между потребностью двигателя в разбавлении и изменением потребности в РОГ. Например, при изменении нагрузки двигателя от низкой до средней может возрасти потребность в РОГ, а при изменении нагрузки двигателя со средней до высокой, потребность в РОГ может упасть.
Если будет установлено, что при текущих параметрах работы двигателя РОГ не запрошена, на шаге 532 алгоритм предусматривает определение того, превышает ли нагрузка двигателя пороговую. Пороговая нагрузка двигателя может соответствовать нагрузке двигателя, при которой возможно образование относительно большого объема отработавших газов, при этом один каталитический нейтрализатор не сможет оптимально очистить весь объем отработавших газов. Кроме того, для улучшения функциональных возможностей второго каталитического нейтрализатора может быть нужно поддерживать относительно высокую температуру во втором каталитическом нейтрализаторе, а для поддержания данной относительно высокой температуры во втором каталитическом нейтрализаторе весь объем отработавших газов может быть направлен непосредственно во второй каталитический нейтрализатор (без рекуперации тепла). Кроме того, для поддержания функциональных возможностей обоих каталитических нейтрализаторов отработавших газов может быть нужно поддерживать целевое возмущение воздушно-топливного отношения в обоих каталитических нейтрализаторах.
Если будет установлено, что нагрузка двигателя ниже пороговой, алгоритм может перейти на шаг 522 и продолжить эксплуатацию выпускной системы во втором режиме с направлением первой части отработавших газов во второй каталитический нейтрализатор через теплообменник, а второй части отработавших газов - непосредственно во второй каталитический нейтрализатор в обход теплообменника.
Если будет установлено, что двигатель работает с нагрузкой выше пороговой, на шаге 534 выпускную систему можно эксплуатировать в первом режиме. Отводной клапан может быть установлен в первое положение, а клапан РОГ - закрыт, для пропуска потока отработавших газов непосредственно из первого устройства нейтрализации отработавших газов (первого каталитического нейтрализатора) во второе устройство нейтрализации отработавших газов (второй каталитический нейтрализатор) в обход теплообменника. Подача отработавших газов непосредственно во второй каталитический нейтрализатор позволяет поддерживать относительно высокую температуру во втором каталитическом нейтрализаторе для оптимальной работы в состояниях с относительно высокой нагрузкой. Непосредственная подача отработавших газов через оба каталитических нейтрализатора позволяет поддерживать целевое возмущение воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в каждый из каталитических нейтрализаторов, тем самым поддерживая функциональные возможности каталитического нейтрализатора. Если вместо непосредственного направления отработавших газов первую часть отработавших газов направляют из первого каталитического нейтрализатора во второй каталитический нейтрализатор по перепускному каналу, а вторую, остальную, часть направляют непосредственно из первого каталитического нейтрализатора во второй каталитический нейтрализатор, две части отработавших газов, поступающие во второй каталитический нейтрализатор, могут течь по двум разным маршрутам. Из-за разных маршрутов двух частей могут возникнуть нежелательные изменения необходимого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих во второй каталитический нейтрализатор, что может отрицательно повлиять на эксплуатацию второго каталитического нейтрализатора отработавших газов при относительно большом объеме потока отработавших газов, например, в состояниях с относительно высокой нагрузкой. Кроме того, эксплуатация выпускной системы во втором режиме в состояниях с относительно высокой нагрузкой может ухудшить эксплуатационные показатели двигателя из-за роста противодавления отработавших газов, в результате чего возрастает работа на совершение насосных ходов и, как следствие, падает момент на выходном валу. Продолжение рекуперации тепла в состояниях с относительно высокой нагрузкой может привести к перегреву охлаждающей жидкости и ухудшению характеристик системы охлаждения.
Поэтому подача отработавших газов непосредственно из первого каталитического нейтрализатора во второй каталитический нейтрализатор позволяет улучшить качество выбросов в состояниях с относительно высокой нагрузкой двигателя.
Если на шаге 524 будет установлено, что РОГ запрошена для работы двигателя, на шаге 526 выпускную систему можно эксплуатировать в третьем режиме. Эксплуатация в третьем режиме, раскрытом на примере ФИГ. 2С, включает в себя: установку клапана РОГ в открытое положение на шаге 527 и перемещение отводного клапана в первое (закрытое) положение на шаге 528. Проход клапана РОГ можно регулировать в зависимости от запрошенного количества РОГ. В связи с открытием клапана РОГ (в зависимости от запрошенного количества РОГ), первая часть отработавших газов, выходящих из первого каталитического нейтрализатора, может поступать в перепускной канал и течь через теплообменник перед поступлением в подающую магистраль РОГ. В данном режиме теплообменник может работать как охладитель РОГ. Затем РОГ могут быть поданы во впускной коллектор двигателя по подающей магистрали РОГ. Вторая часть отработавших газов может не поступать в перепускной канал, а течь непосредственно по основному выпускному каналу в выхлопную трубу через второй каталитический нейтрализатор в обход теплообменника. Соотношение первой (подаваемой в качестве РОГ) и второй (непосредственно текущей в выхлопную трубу) частей отработавших газов можно определять в зависимости от количества РОГ, запрошенного для оптимальной работы двигателя. Первую часть можно увеличивать, а вторую часть -соответственно уменьшать, по мере роста запрошенного количества РОГ. Аналогичным образом, вторую часть можно увеличивать, а первую часть - соответственно уменьшать, по мере уменьшения запрошенного количества РОГ. Проход клапана РОГ можно регулировать в зависимости от соотношения первой и второй частей.
Таким образом, в состояниях холодного пуска двигателя отводной клапан, соединенный с перепускным каналом отработавших газов, можно устанавливать в полностью закрытое положение, а клапан РОГ можно закрывать, для пропуска потока отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов по основному выпускному каналу. После активации по меньшей мере второго каталитического нейтрализатора отработавших газов, отводной клапан можно установить в частично открытое положение, а клапан РОГ можно закрыть, для пропуска потока первой части отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов через теплообменник в перепускном канале, расположенном параллельно основному выпускному каналу, и пропуска потока второй, остальной, части отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов по основному выпускному каналу, при этом объединение первой и второй частей отработавших газов происходит выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов, после чего они текут через второй каталитический нейтрализатор отработавших газов. При направлении отработавших газов через теплообменник, тепло отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, текущей через теплообменник, после чего тепло из охлаждающей жидкости может быть передано блоку цилиндров двигателя в зависимости от потребности в нагреве двигателя.
На ФИГ. 7 раскрыт пример рабочей последовательности 700, иллюстрирующей эксплуатацию систем теплообмена на ФИГ. 1А-1С при различных параметрах работы двигателя. Поток отработавших газов по перепускному каналу можно регулировать в зависимости от параметров работы двигателя и соответствующих потребностей в рециркуляции отработавших газов (РОГ). На горизонтальной оси (оси x) обозначено время, а вертикальные метки t1-t6 обозначают значимые моменты в работе системы теплообмена.
Первый график, линия 702, представляет изменение нагрузки двигателя при изменении водительского запроса, оцениваемого датчиком положения педали, во времени. Второй график, линия 704, представляет изменение температуры двигателя, оцениваемой посредством датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя, во времени. Третий график, линия 706, представляет температуру салона транспортного средства, оцениваемую посредством датчика температуры салона. Четвертый график, линия 708, представляет поток РОГ в двигатель, соответствующий потребности в РОГ, обозначенной точечной линией 709. Пятый график, линия 710, представляет режим подачи топлива (количество впрыскиваемого топлива в фунтах в минуту) первой группы цилиндров двигателя, а шестой график, линия 712, представляет режим подачи топлива (количество впрыскиваемого топлива в фунтах в минуту) второй группы цилиндров двигателя. Седьмой график, линия 714, представляет воздушно-топливное отношение отработавших газов, поступающих в первый каталитический нейтрализатор выше по потоку от перепускного канала.
Восьмой график, линия 716, представляет положение отводного клапана, соединенного с местом соединения основного выпускного канала и перепускного канала ниже по потоку от теплообменника.
До момента t1 двигатель заглушен, и транспортное средство не приводят в движение за счет крутящего момента двигателя. В момент t1, по водительскому запросу крутящего момента, происходит пуск двигателя из неподвижного состояния после периода бездействия. В момент пуска двигателя температура двигателя может быть ниже пороговой температуры 705. На основании того, что температура двигателя ниже пороговой, делают вывод о наличии состояния холодного пуска двигателя. Так как температура двигателя при холодном пуске ниже пороговой, температура каталитических нейтрализаторов отработавших газов может быть ниже их температур активации, и может быть нужен нагрев каталитических нейтрализаторов для ускорения достижения соответствующих температур активации. В состояниях холодного пуска, РОГ может не быть нужна для работы двигателя, поэтому клапан РОГ (регулирующий поток РОГ во впускной коллектор) может быть оставлен в закрытом положении, и отработавшие газы могут не течь из выпускного канала во впускной коллектор двигателя. В это время отводной клапан может быть закрыт, поэтому отработавшие газы могут не поступать в перепускной канал, а течь непосредственно через первый и второй каталитические нейтрализаторы отработавших газов, причем за счет тепла из отработавших газов можно повысить температуру обоих каталитических нейтрализаторов, тем самым ускорив достижение соответствующих температур активации. После протекания через каталитические нейтрализаторы, отработавшие газы могут быть сброшены в атмосферу по выхлопной трубе. Между моментами t1 и t2, так как отработавшие газы текут непосредственно в первый каталитический нейтрализатор, целевое возмущение воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор, можно поддерживать без регулировок режима подачи топлива первой и второй групп цилиндров. Возмущения воздушно-топливного отношения можно варьировать в зависимости от нагрузки двигателя, при этом частота возмущений тем выше, чем выше нагрузка двигателя. В это время нагрузка двигателя может быть ниже пороговой.
В момент t2 по входным сигналам от датчиков температуры отработавших газов можно сделать вывод о том, что каталитические нейтрализаторы достигли соответствующих температур активации. Кроме того, по показанию датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя можно сделать вывод о том, что температура двигателя возросла сверх пороговой. При этом, в это время может быть установлено, что был запрошен обогрев салона. Для рекуперации тепла из отработавших газов и его использования для обогрева салона, контроллер может направить сигнал приводу, соединенному с отводным клапаном, частично открыть клапан для направления первой части отработавших газов из турбины в перепускной канал и через теплообменник, а второй (остальной) части отработавших газов -непосредственно в каталитический нейтрализатор (в обход теплообменника). Степень открытия отводного клапана можно регулировать в зависимости от соотношения температуры по меньшей мере первого каталитического нейтрализатора и его температуры активации для регулирования количества отработавших газов, поступающих в перепускной канал. Проход отводного клапана можно уменьшать (для уменьшения первой части) при уменьшении соотношения температуры первого каталитического нейтрализатора и его температуры активации. Уменьшение первой части позволяет направить большее количество горячих отработавших газов через первый каталитический нейтрализатор, в результате чего его температура возрастает сверх его температуры активации. Тепло из отработавших газов может быть передано охлаждающей жидкости, текущей через теплообменник, с возможностью последующей циркуляции нагретой охлаждающей жидкости через сердцевину обогревателя. Тепло из охлаждающей жидкости может быть передано сердцевине обогревателя с возможностью дальнейшего использования для прогрева салона транспортного средства. Также можно осуществить циркуляцию охлаждающей жидкости с теплом отработавших газов через двигатель для поддержания температуры двигателя. Между моментами t2 и t3 первая часть отработавших газов, поступающая в каталитические нейтрализаторы, течет по более длинному маршруту через теплообменник, чем вторая часть отработавших газов, текущая непосредственно в каталитические нейтрализаторы, поэтому для поддержания необходимых возмущений воздушно-топливного отношения применяют множитель для регулирования количества топлива, впрыскиваемого в первую и вторую группы цилиндров. Количество топлива, впрыскиваемого в первую группу цилиндров, может быть меньше количества топлива, впрыскиваемого во вторую группу цилиндров. Как можно видеть, регулировка режима подачи топлива позволяет поддерживать возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор. Целевое возмущение воздушно-топливного отношения можно поддерживать путем регулирования соотношения подачи топлива первой группы цилиндров и подачи топлива второй группы цилиндров. Контроллер может направить сигнал первой группе топливных форсунок, соединенной с первой группой цилиндров, и второй группе топливных форсунок, соединенных со второй группа цилиндров для регулирования режима подачи топлива (например, ширины импульса впрыска топлива). Поддержание целевого возмущения воздушно-топливного отношения в первом каталитическом нейтрализаторе позволяет поддерживать его функциональные возможности. Режим подачи топлива первой группы цилиндров и второй группы цилиндров можно регулировать в зависимости от входного сигнала первого датчика кислорода, расположенного выше по потоку от теплообменника (отражающего воздушно-топливное отношение отработавших газов перед поступлением в перепускной канал), и второго датчика кислорода, расположенного ниже по потоку от теплообменника (отражающего воздушно-топливное отношение смеси первой и второй частей отработавших газов).
В другом варианте осуществления выпускной системы, в котором теплообменник расположен в месте посередине между первым и вторым каталитическими нейтрализаторами, между моментами t2 и t3 первая часть отработавших газов из первого каталитического нейтрализатора может течь через теплообменник, соединенный с перепускным каналом, а затем вновь поступать в основной выпускной канал выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора, а вторая часть отработавших газов течет из первого каталитического нейтрализатора непосредственно во второй каталитический нейтрализатор. После возвращения в основной выпускной канал, первая и вторая части могут быть объединены и течь в выхлопную трубу через один или несколько каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Для варианта с расположением посередине между каталитическими нейтрализаторами, в состояниях с нагрузкой двигателя ниже пороговой, в которых очистку отработавших газов главным образом осуществляет первый каталитический нейтрализатор, и в первый каталитический нейтрализатор поступают отработавшие газы с целевым возмущением воздушно-топливного отношения, можно не осуществлять поцилиндровое регулирование подачи топлива для поддержания целевого возмущения воздушно-топливного отношения во втором каталитическом нейтрализаторе.
В момент t3 температура салона может превысить необходимую, и можно сделать вывод о том, что дальнейший обогрев салона не нужен. Температура двигателя также может оставаться выше пороговой. Поэтому дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов в теплообменнике может не быть нужна. Кроме того, из-за изменения нагрузки двигателя с низкой до средней, может быть запрошена РОГ. Контроллер может определять необходимый уровень РОГ (обозначенный точечной линией 709) путем, непосредственно учитывающим такие параметры работы двигателя, как частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, температура двигателя и т.п., например, повышая количество РОГ по мере роста нагрузки двигателя в области нагрузок от низких до средних, а затем снижая количество РОГ по мере роста нагрузки двигателя в области нагрузок от средних до высоких. Или же контроллер может определять потребность в РОГ, обращаясь к табулированной зависимости в памяти контроллера, при этом входными параметрами табулированной зависимости являются частота вращения двигателя и нагрузка двигателя, а результатом - количество РОГ или положение (или степень открытия) клапана РОГ, соответствующее количеству РОГ. Для подачи необходимого количества РОГ из выпускного канала во впускной коллектор, клапан РОГ может быть открыт, а отводной клапан перемещен в закрытое положение. Между моментами t3 и t4 часть отработавших газов может поступать в перепускной канал, а затем течь через теплообменник перед поступлением во впускной коллектор через клапан РОГ и подающую магистраль РОГ. Проход клапана РОГ можно регулировать в зависимости от количества РОГ, нужного для оптимальной работы двигателя. При протекании через теплообменник, РОГ могут быть охлаждены. Остальная часть отработавших газов (не поступающая в перепускной канал) может течь вниз по потоку в выхлопную трубу через каталитический нейтрализатор (нейтрализаторы). В это время, поскольку отработавшие газы, непосредственно текущие в первый каталитический нейтрализатор, текут по основному выпускному каналу, целевое возмущение воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в каталитический нейтрализатор, можно поддерживать без регулировок режима подачи топлива первой и второй групп цилиндров.
В момент t4 нагрузка двигателя может возрасти сверх пороговой нагрузки 703, и для работы двигателя может быть нужна более высокая мощность двигателя. Из-за возрастания требуемой отдачи двигателя по мощности, дальнейшая РОГ может не быть нужна для работы двигателя, и клапан РОГ может быть установлен в закрытое положение. В это время и температура двигателя, и температура салона выше соответствующих порогов, и дальнейшая рекуперация тепла отработавших газов может не быть запрошена. Для поддержания целевого возмущения воздушно-топливного отношения в каждом из каталитических нейтрализаторов отработавших газов без регулировок режимов подачи топлива первой и второй групп цилиндров, между t4 и t5 отводной клапан может быть оставлен в закрытом положении для пропуска всего объема отработавших газов непосредственно через каждый из каталитических нейтрализаторов отработавших газов в обход теплообменника. Подача всего объема отработавших газов непосредственно через каталитические нейтрализаторы позволяет поддерживать необходимый химический состав отработавших газов, поступающих в каждый из каталитических нейтрализаторов, и тем самым, увеличивать функциональные возможности каталитических нейтрализаторов. Между моментами t4 и t5 отработавшие газы могут не поступать в перепускной канал и подающую магистраль РОГ, а могут быть сброшены непосредственно в атмосферу через каталитические нейтрализаторы и выхлопную трубу. Очищение относительно большого объема отработавших газов, образующегося в состояниях с относительно высокой нагрузкой двигателя, могут осуществлять оба каталитических нейтрализатора с последующим направлением его в выхлопную трубу. В это время, из-за возросшей нагрузки двигателя, может возрасти возмущение воздушно-топливного отношения.
В момент t5 от водителя может быть получен запрос глушения двигателя, и между моментами t5 и t6 двигатель могут не эксплуатировать, и впрыск топлива может быть приостановлен. В момент t6 поступает запрос запуска двигателя после остановки, в связи с чем происходит пуск двигателя из неподвижного состояния. В данном случае запуск двигателя происходит через более короткий период с последнего по времени глушения, на основании чего делают вывод о том, что имеет место горячий пуск двигателя с температурой двигателя выше пороговой температуры 705. В это время водитель может запросить обогрев салона. Поэтому отводной клапан может быть частично открыт для направления части отработавших газов через теплообменник, где тепло отработавших газов может быть отобрано охлаждающей жидкостью, после чего она может циркулировать через сердцевину обогревателя для подачи тепла в салон транспортного средства. Остальная часть отработавших газов может течь непосредственно через каталитические нейтрализаторы и обеспечивать тепло для поддержания температуры каталитических нейтрализаторов выше соответствующих температур активации.
Проход отводного клапана можно регулировать в зависимости от количества отработавших газов, необходимого для поддержания температуры каталитического нейтрализатора на необходимом уровне. Степень открытия отводного клапана после момента t6 может быть отлична от степени открытия отводного клапана между моментами t2 и t3. Кроме того, в это время режим подачи топлива первой группы цилиндров и второй группы цилиндров можно регулировать для поддержания целевого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Контроллер может направить сигнал топливным форсункам для уменьшения количества топлива, впрыскиваемого в первую группу цилиндров, относительно количества топлива, впрыскиваемого во вторую группу цилиндров. В состоянии горячего пуска, РОГ может не быть нужна для работы двигателя, и клапан РОГ может быть оставлен в закрытом положении.
Пример способа для двигателя содержит шаги, на которых: подают первую часть отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов через теплообменник в перепускном канале, подают вторую, остальную, часть отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов через основной выпускной канал, расположенный параллельно перепускному каналу, и поцилиндрово регулируют подачу топлива в зависимости от соотношения первой и второй частей для обеспечения целевого воздушно-топливного отношения отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Любой предыдущий пример также содержит шаги, на которых, дополнительно или необязательно, объединяют первую и вторую части отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора и подают объединенные отработавшие газы через верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов, а затем - через нижний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, указанную подачу осуществляют, если температура верхнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов превышает первую температуру активации и температура нижнего по потоку каталитического нейтрализатора превышает вторую температуру активации, при этом вторая температура активации ниже первой, причем первую часть выбирают для поддержания температуры верхнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов не ниже первой температуры активации и температуры нижнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов не ниже второй температуры активации. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаг, на котором, дополнительно или необязательно, если температура по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов ниже первой температуры активации, подают весь объем отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов в обход теплообменника. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первую часть уменьшают, а вторую часть - соответственно увеличивают, по мере уменьшения температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, подача первой части и второй части включает в себя установку отводного клапана, установленного в месте соединения основного выпускного канала и выхода перепускного канала, в открытое положение для пропуска потока отработавших газов из перепускного канала отработавших газов в основной канал, при этом степень открытия отводного клапана тем больше, чем больше соотношение первой и второй частей. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, поцилиндровое регулирование подачи топлива осуществляют в зависимости от входного сигнала первого датчика кислорода, расположенного выше по потоку от теплообменника в основном выпускном канале, и второго датчика кислорода, расположенного ниже по потоку от теплообменника в основном выпускном канале. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, регулирование подачи топлива в зависимости от соотношения первой и второй частей дополнительно или необязательно включает в себя регулирование в зависимости от соотношения запаздывания перемещения первой части отработавших газов по перепускному каналу и запаздывания перемещения второй части отработавших газов по основному выпускному каналу, причем целевое воздушно-топливное отношение отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора включает в себя целевое возмущение воздушно-топливного отношения у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первая часть отработавших газов включает в себя отработавшие газы, поступившие в первый момент из первой группы цилиндров, причем вторая часть отработавших газов включает в себя отработавшие газы, поступившие во второй момент из второй, другой, группы цилиндров, причем, когда целевое возмущение воздушно-топливного отношения у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора представляет собой возмущение воздушно-топливного отношения в сторону обогащения, топливо в первую группу цилиндров подают так, чтобы смесь в ней была богаче стехиометрической, а топливо во вторую группу цилиндров подают так, чтобы смесь в ней была беднее стехиометрической, при этом степень обогащения первой группы цилиндров выше степени обеднения второй группы цилиндров. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, двигатель установлен в транспортном средстве, содержащем салон, а способ также содержит шаги, на которых: осуществляют передачу тепла из первой части отработавших газов охлаждающей жидкости, текущей через теплообменник; и подают нагретую охлаждающую жидкость через блок цилиндров двигателя и сердцевину обогревателя для нагрева двигателя в зависимости от потребности в нагреве двигателя и обогрева салона в зависимости от потребности в обогреве салона. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаг, на котором, дополнительно или необязательно, при наличии запроса на рециркуляцию отработавших газов (РОГ), устанавливают отводной клапан в полностью закрытое положение для блокирования потока отработавших газов из перепускного канала отработавших газов в основной выпускной канал и открывают клапан РОГ, соединенный с подающей магистралью РОГ, соединенной с перепускным каналом отработавших газов ниже по потоку от теплообменника, для подачи третьей части отработавших газов во впускной коллектор двигателя через подающую магистраль РОГ, соединенную с перепускным каналом отработавших газов ниже по потоку от теплообменника, и теплообменник, а четвертой части отработавших газов - непосредственно в верхний по потоку каталитический нейтрализатор. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, соотношение третьей и четвертой частей регулируют в зависимости от потребности в РОГ и температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора, при этом третью часть уменьшают, а четвертую часть - соответственно увеличивают, по мере падения температуры по меньшей мере верхнего по потоку каталитического нейтрализатора, при этом проход клапана РОГ регулируют в зависимости от третьей части.
Другой пример способа содержит шаги, на которых: в состояниях холодного пуска двигателя устанавливают отводной клапан, соединенный с перепускным каналом, в полностью закрытое положение и закрывают клапан РОГ для пропуска потока отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов по основному выпускному каналу, после активации по меньшей мере второго каталитического нейтрализатора отработавших газов устанавливают отводной клапан в частично открытое положение и закрывают клапан РОГ для пропуска потока первой части отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов через теплообменник, размещенный в перепускном канале, и пропуска потока второй, остальной, части отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов по основному выпускному каналу, при этом объединение первой и второй частей отработавших газов происходит выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов, после чего они текут через второй каталитический нейтрализатор отработавших газов. В любом из предыдущих примеров, дополнительно или необязательно, соотношение первой и второй частей зависит от соотношения температуры второго каталитического нейтрализатора отработавших газов и его температуры активации, а проход отводного клапана регулируют в зависимости от первой части, при этом проход увеличивают по мере возрастания первой части, причем подача отработавших газов через теплообменник включает в себя передачу тепла отработавших газов охлаждающей жидкости, циркулирующей через теплообменник, и последующую передачу тепла из охлаждающей жидкости блоку цилиндров двигателя в зависимости от потребности в нагреве двигателя. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, первую часть уменьшают, а вторую часть - соответственно увеличивают, по мере уменьшения температуры второго каталитического нейтрализатора отработавших газов до уровня ниже температуры активации. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаги, на которых, дополнительно или необязательно, в связи с потребностью в рециркуляции отработавших газов, устанавливают отводной клапан в полностью закрытое положение и открывают клапан РОГ для пропуска потока третьей части отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов на впуск двигателя через теплообменник и пропуска потока четвертой, остальной, части отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов по основному выпускному каналу, при этом соотношение третьей и четвертой частей регулируют в зависимости от потребности в РОГ, причем третью часть увеличивают по мере роста потребности в РОГ. Все предыдущие примеры или любой из них также содержат шаг, на котором, дополнительно или необязательно, в ответ на каждое из следующего: нагрузка двигателя выше пороговой и температура двигателя выше пороговой, устанавливают отводной клапан в полностью закрытое положение и закрывают клапан РОГ для пропуска потока отработавших газов из области ниже по потоку от первого каталитического нейтрализатора отработавших газов в область выше по потоку от второго каталитического нейтрализатора отработавших газов по основному выпускному каналу в обход теплообменника.
В еще одном примере система двигателя содержит: впускной коллектор двигателя, выпускную систему двигателя с выпускным каналом и системой теплообмена, при этом выпускной канал содержит датчик влажности отработавших газов, датчик температуры отработавших газов, датчик давления отработавших газов, один или несколько каталитических нейтрализаторов отработавших газов и глушитель, при этом перепускной канал соединен с выпускным каналом от места выше по потоку от одного или нескольких каталитических нейтрализаторов до места выше по потоку от глушителя, при этом система теплообмена включает в себя перепускной канал, вмещающий теплообменник, систему охлаждения, соединенную по текучей среде с теплообменником, блоком цилиндров двигателя и сердцевиной обогревателя, при этом система охлаждения содержит датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, отводной клапан, соединяющий выход перепускного канала с выпускным каналом, магистраль рециркуляции отработавших газов (РОГ) с клапаном РОГ для рециркуляции отработавших газов из перепускного канала ниже по потоку от теплообменника во впускной коллектор, первый датчик кислорода, соединенный с выпускным каналом выше по потоку от теплообменника, и второй датчик кислорода, соединенный с выпускным каналом ниже по потоку от теплообменника. Система двигателя также содержит контроллер с машиночитаемыми инструкциями, сохраненными в долговременной памяти, для: оценки температуры двигателя посредством датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя и температуры каталитического нейтрализатора посредством датчика температуры отработавших газов, и, если температура каталитического нейтрализатора ниже пороговой, закрытия клапана РОГ и отводного клапана для подачи отработавших газов непосредственно в один или несколько каталитических нейтрализаторов, и, если температура каталитического нейтрализатора выше пороговой и по меньшей мере температура двигателя ниже пороговой или температура салона транспортного средства ниже запрошенной, частичного открытия отводного клапана для подачи первого количества отработавших газов из выпускного коллектора в один или несколько каталитических нейтрализаторов через теплообменник, и подачи второго, остального, количества непосредственно в один или несколько каталитических нейтрализаторов в обход теплообменника. В любом предыдущем примере, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: оценки первого воздушно-топливного отношения отработавших газов по входному сигналу от первого датчика кислорода, оценки второго воздушно-топливного отношения по входному сигналу от второго датчика кислорода, и поцилиндрового регулирования воздушно-топливного отношения в зависимости от первого воздушно-топливного отношения и второго воздушно-топливного отношения для поддержания целевой амплитуды и частоты возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в один или несколько каталитических нейтрализаторов, при этом регулирование включает в себя эксплуатацию первой группы цилиндров на смеси богаче стехиометрической и эксплуатацию второй группы цилиндров на смеси беднее стехиометрической, причем степень обогащения первой группы цилиндров и степень обеднения второй группы цилиндров зависят от целевой амплитуды и частоты возмущения воздушно-топливного отношения. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или необязательно, контроллер содержит дополнительные инструкции для: по запросу на РОГ, открытия клапана РОГ и закрытия отводного клапана для рециркуляции запрошенного количества отработавших газов во впускной коллектор через теплообменник, при этом происходит охлаждение запрошенного количества РОГ в теплообменнике, при этом остальное количество отработавших газов направляют непосредственно в один или несколько каталитических нейтрализаторов без охлаждения в теплообменнике.
Таким образом, охлаждение РОГ и рекуперацию тепла отработавших газов можно эффективно осуществлять за счет единственного теплообменника, соединенного с перепускным каналом отработавших газов выше по потоку от каталитических нейтрализаторов отработавших газов или посередине между двумя каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Направление отработавших газов через каталитические нейтрализаторы в обход теплообменника в состояниях холодного пуска позволяет ускорить активацию каталитического нейтрализатора и улучшить качество выбросов при холодном пуске. Направление части отработавших газов через теплообменник после активации каталитического нейтрализатора увеличивает рекуперацию тепла отработавших газов, при этом температуры каталитических нейтрализаторов поддерживают выше соответствующих температур активации за счет тепла из остальной части отработавших газов. В конфигурациях с теплообменником перед каталитическим нейтрализатором, технический эффект, достигаемый поцилиндровым регулированием воздушно-топливного отношения при протекании отработавших газов через теплообменник, состоит в возможности поддержания целевого возмущения воздушно-топливного отношения отработавших газов, поступающих в верхний по потоку каталитический нейтрализатор, и, тем самым, улучшения функциональных возможностей каталитического нейтрализатора.
В конфигурациях с теплообменником посередине между каталитическими нейтрализаторами, подача отработавших газов непосредственно через оба каталитических нейтрализатора в состояниях с относительно высокой нагрузкой двигателя позволяет поддерживать целевое возмущение воздушно-топливного отношения в обоих каталитических нейтрализаторах. Рекуперация тепла отработавших газов и обеспечение наличия охлажденных РОГ за счет одного и того же теплообменника обеспечивают преимущества, состоящие в уменьшении числа компонентов и себестоимости. В целом, можно улучшить качество выбросов, топливную экономичность двигателя и эксплуатационные показатели 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 с возможностью их реализации 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 раскрытия.
Реферат
Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Подают первую часть отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов через теплообменник в перепускном канале. Подают вторую, остальную, часть отработавших газов в верхний по потоку каталитический нейтрализатор отработавших газов через основной выпускной канал, расположенный параллельно перепускному каналу. Поцилиндрово регулируют подачу топлива в зависимости от соотношения первой и второй частей для обеспечения целевого воздушно-топливного отношения отработавших газов у верхнего по потоку каталитического нейтрализатора отработавших газов. Причем поцилиндровое регулирование подачи топлива зависит от соотношения запаздывания перемещения первой части отработавших газов по перепускному каналу и запаздывания перемещения второй части отработавших газов по основному выпускному каналу. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.
Формула
Документы, цитированные в отчёте о поиске
Компактный узел очистки отработанного газа с добавкой реагента
Патенты аналоги
Компактный узел очистки отработанного газа с добавкой реагента
