Система лазерного нагрева - RU2610528C2
Код документа: RU2610528C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится к лазеру для нагревания топлива в двигателе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Эффективное сгорание в цилиндре двигателя может зависеть от многих факторов, в том числе, полного испарения топлива и гомогенизации испаренного топлива с всасываемым воздухом. Неполное испарение и/или смешивание могут приводить к пониженной экономии топлива, неудовлетворительным выбросам и событиям нестабильного сгорания, таким как пропуски зажигания.
Различные подходы были предприняты для улучшения эффективности сгорания. Топливо может нагреваться до достижения цилиндра, однако, это может, в действительности, снижать коэффициент полезного действия двигателя, так как тепло может утекать в другие компоненты, такие как топливопровод. Кроме того, нагревание топлива вне цилиндра может повышать опасность взрыва вследствие летучей природы топлива.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретатели осознали проблемы с вышеприведенными подходами и предложили способ для по меньшей мере частичного принятия мер в ответ на них. В одном из вариантов осуществления, способ испарения топлива состоит в нагревании топлива в цилиндре двигателя посредством излучения, чтобы испарять топливо без воспламенения.
Таким образом, излучение может использоваться для нагревания топлива в цилиндре до точки испарения топлива, чтобы улучшать испарение перед воспламенением. В одном из примеров система лазерного нагрева может направлять энергию лазерного излучения в цилиндр для нагревания топлива по мере того, как оно впрыскивается. Один или более параметров энергии лазерного излучения, таких как местоположение фокуса энергии лазерного излучения, величина и/или длительность энергии лазерного излучения, могут быть адаптированы на основании условий эксплуатации, таких как температура двигателя и давление в цилиндре. При действии таким образом минимальное количество энергии, необходимой для испарения топлива, направленное в местоположение, оптимальное для испарения и гомогенизации, может использоваться для улучшения коэффициента полезного действия двигателя и снижения выбросов при последующем воспламенении топлива благодаря любому из искрового зажигания, воспламенения от сжатия или другим подходам воспламенения.
Согласно первому аспекту изобретения, предложен способ испарения топлива, содержащий этапы, на которых: нагревают топливо в цилиндре двигателя посредством излучения с использованием лазера, присоединенного к цилиндру, для испарения топлива без воспламенения; воспламеняют топливо в цилиндре искровым зажиганием; и регулируют местоположение фокуса лазера на основании установки момента впрыска топлива относительно положения поршня.
В одном варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют местоположение фокуса лазера на основании установки момента впрыска топлива относительно положения клапана управления движением заряда.
В другом варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют местоположение фокуса лазера на основании установки момента впрыска топлива относительно положения впускного и/или выпускного клапана.
В еще одном варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют временные характеристики лазерного нагрева на основании установки момента впрыска топлива относительно установки момента открывания впускного и выпускного клапана.
В еще одном варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют временные характеристики или интенсивность лазерного нагрева на основании спиртового состава топлива у впрыскиваемого топлива.
В еще одном варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют временные характеристики лазерного нагрева на основании установки момента впрыска топлива относительно положения поршня, причем лазерный нагрев начинается после начала впрыска топлива, а заканчивается после окончания впрыска топлива, но до установки момента зажигания.
В еще одном варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют интенсивность лазерного нагрева на основании установки момента впрыска топлива относительно хода поршня.
Согласно второму аспекту изобретения, предложен способ нагрева топлива в цилиндре двигателя, содержащий этапы, на которых: направляют лазерный пучок на одно или более положений внутри цилиндра во время впрыска топлива для испарения топлива на основании установки момента впрыска топлива относительно положения клапана управления движением заряда; и воспламеняют топливо посредством искрового зажигания.
В одном варианте осуществления способа этап направления лазерного пучка в одно или более положений внутри цилиндра может дополнительно содержать этап, на котором направляют лазерный пучок в одно или более положений внутри цилиндра на основании установки момента впрыска топлива относительно положения поршня.
В другом варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют величину направленной энергии лазерного излучения на основании состава топлива.
В еще одном варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором регулируют величину направленной энергии лазерного излучения на основании температуры двигателя.
Согласно третьему аспекту изобретения, предложена система для двигателя, содержащая: цилиндр; форсунку непосредственного впрыска, присоединенную к цилиндру; лазер, присоединенный к цилиндру; и контроллер, имеющий несъемный машиночитаемый носитель данных. Носитель данных включает в себя код для выполнения следующего: приведения в действие возбудителя лазерного излучения, присоединенного к лазеру, чтобы выдавать энергию лазерного излучения для испарения впрыскиваемого топлива, основываясь на температуре двигателя во время холодного запуска двигателя; перемещения местоположения фокуса энергии лазерного излучения по направлению к форсунке непосредственного впрыска по мере того, как поршень цилиндра перемещается ближе к верхней мертвой точке (ВМТ) относительно впрыска топлива; и воспламенения испаряемого топлива посредством системы искрового зажигания.
В одном варианте осуществления системы контроллер может иметь дополнительные команды для перемещения местоположения фокуса энергии лазерного излучения по направлению к центру цилиндра по мере того, как закрывается клапан управления движением заряда.
В другом варианте осуществления системы контроллер может иметь дополнительные команды для перемещения местоположения фокуса энергии лазерного излучения по направлению к центру цилиндра по мере того, как открывается выпускной клапан цилиндра.
В еще одном варианте осуществления системы контроллер может иметь дополнительные команды для увеличения длительности испускаемой энергии лазерного излучения по мере того, как закрывается клапан управления движением заряда.
В еще одном варианте осуществления системы контроллер может иметь дополнительные команды для уменьшения длительности испускаемой энергии лазерного излучения по мере того, как поршень цилиндра перемещается ближе к ВМТ относительно впрыска топлива.
В еще одном варианте осуществления системы контроллер может иметь дополнительные команды для увеличения длительности испускаемой энергии лазерного излучения по мере того, как увеличиваются число оборотов и нагрузка двигателя.
Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего раскрытия будут без труда очевидны из последующего подробного описания, рассматриваемого в одиночку или в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Должно быть понятно, что раскрытие изобретения, приведенное выше, предоставлено для знакомства с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно раскрыты в подробном описании. Оно не предназначено для идентификации ключевых или существенных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая следует за подробным описанием. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые решают какие-нибудь недостатки, отмеченные выше или в любой части этого раскрытия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает примерный цилиндр многоцилиндрового двигателя.
Фиг. 2 показывает вариант осуществления цилиндра по Фиг. 1, включающего в себя систему лазерного нагрева.
Фиг. 3 показывает еще один вариант осуществления цилиндра по Фиг. 1, включающего в себя лазерный нагреватель, присоединенный к форсунке.
Фиг. 4 показывает вариант осуществления цилиндра по Фиг. 1, включающего в себя адаптируемую отражательную область.
Фиг. 5 показывает блок-схему последовательности этапов, иллюстрирующую способ нагрева топлива посредством внешнего источника нагрева топлива согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 6 показывает блок-схему последовательности этапов, иллюстрирующую способ приведения в действие системы лазерного нагрева согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 7 показывает блок-схему последовательности этапов, иллюстрирующую способ определения местоположения фокуса лазера согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 8 показывает блок-схему последовательности этапов, иллюстрирующую способ определения величины и длительности энергии лазера согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 9 показывает блок-схему последовательности этапов, иллюстрирующую способ приведения в действие лазерного нагревателя согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для улучшения испарения топлива, в частности, во время условий холодного двигателя, излучение может использоваться для направления тепла на впрыскиваемое топливо без воспламенения топлива. Фиг. 1 показывает примерный двигатель, включающий в себя цилиндр, систему искрового зажигания и топливную форсунку. Фиг. 2-4 показывают различные варианты осуществления цилиндра по Фиг. 1, включающего в себя механизм для нагревания топлива в цилиндре посредством излучения и механизм для нагревания топлива в форсунке посредством лазерного нагревателя. Фиг. 5-9 иллюстрирует различные управляющие программы, которые могут выполняться системой управления двигателя по Фиг. 1
Более точно, со ссылкой на Фиг. 1, она включает в себя принципиальную схему, показывающую один цилиндр многоцилиндрового двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере, частично системой управления, включающей в себя контроллер 12, и входными сигналами от водителя 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере устройство 130 ввода включает в себя педаль газа и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала РР положения педали.
Цилиндр 30 сгорания двигателя 10 может включать в себя стенки 32 цилиндра сгорания с поршнем 36, расположенным в них. Поршень 3 6 может быть присоединен к коленчатому валу 40, так чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть присоединен к по меньшей мере одному приводному колесу транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии. Кроме того, электродвигатель стартера может быть присоединен к коленчатому валу 40 через маховик, чтобы давать возможность операции запуска двигателя 10. Аккумуляторная батарея 14 может быть присоединена к двигателю 10 через генератор переменного тока (не показан) и один или более валов или шкивов. Аккумуляторная батарея 14 может накапливать электричество, вырабатываемое от вращения двигателя, посредством генератора переменного тока, и может разряжать энергию, для того чтобы питать компоненты двигателя, такие как стартерный электродвигатель.
Цилиндр 30 сгорания может принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и могут выпускать газообразные продукты сгорания отработавших газов через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с цилиндром 30 сгорания через соответственные впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления, цилиндр 30 сгорания может включать в себя два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.
В этом примере, впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 могут управляться посредством приведения в действие кулачков через соответственные системы 51 и 53 кулачкового привода. Каждая из систем 51 и 53 кулачкового привода может включать в себя один или более кулачков и может использовать одну или более из систем переключения профиля кулачков (CPS), регулируемых фаз кулачкового газораспределения (VCT), регулируемых фаз клапанного газораспределения (VVT) и/или регулируемого подъема клапана (VVL), которые могут управляться контроллером 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться датчиками 55 и 57 положения, соответственно. В альтернативных вариантах осуществления, впускной клапан 52 и/или выпускной клапан 54 могут управляться посредством приведения в действие клапанного распределителя с электромагнитным управлением. Например, цилиндр 30, в качестве альтернативы, может включать в себя впускной клапан, управляемый через электромагнитный привод клапана, и выпускной клапан, управляемый через кулачковый привод, включающий в себя системы CPS и/или VCT.
Топливная форсунка 66 показана присоединенной непосредственно к цилиндру 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в него пропорционально длительности импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12 через электронное приводное устройство 68. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает то, что известно в качестве непосредственного впрыска топлива в цилиндр 30 сгорания. Топливная форсунка, например, может быть установлена сбоку цилиндра сгорания или сверху камеры сгорания. Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 системой подачи топлива (не показана), включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель топлива. В некоторых вариантах осуществления, цилиндр 30 сгорания, в качестве альтернативы или дополнительно, может включать в себя топливную форсунку, скомпонованную во впускном канале 42, в конфигурации, которая обеспечивает то, что известно как впрыск топлива во впускное окно, выше по потоку от цилиндра 30 сгорания.
Впускной канал 42 может включать в себя клапан 74 управления движением заряда (CMCV) и заслонку 72 CMCV, также может включать в себя дроссель 62, имеющий дроссельную заслонку 64. В этом конкретном примере, положение дроссельной заслонки 64 может регулироваться контроллером 12 посредством сигналов, выдаваемых на электродвигатель или исполнительный механизм, включенный дросселем 62, конфигурацией, которая может указываться ссылкой как электронный регулятор дросселя (ETC). Таким образом, дроссель 62 может приводиться в действие, чтобы регулировать всасываемый воздух, выдаваемый в цилиндр 30 сгорания, среди других цилиндров сгорания двигателя. Впускной канал 42 может включать в себя датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для выдачи соответственных сигналов MAF и MAP в контроллер 12.
Система 88 зажигания может выдавать искру зажигания в камеру 30 сгорания через свечу 92 зажигания в ответ на сигнал SA опережения зажигания из контроллера 12, при выбранных рабочих режимах. Хотя показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания или одна или более других камер сгорания двигателя 10 могут приводиться в действие в режиме воспламенения от сжатия, с или без свечи зажигания.
Датчик 126 отработавших газов показан присоединенным к выпускному каналу 48 выше по потоку от каталитического нейтрализатора 70 отработавших газов. Датчик 126 может быть любым подходящим датчиком для выдачи показания соотношения воздуха отработавших газов/топлива, таким как линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), двухрежимный датчик кислорода или EGO, HEGO (подогреваемый EGO), датчик содержания NOx, НС, или СО. Система выпуска отработавших газов может включать в себя розжиговые каталитические нейтрализаторы и каталитические нейтрализаторы низа кузова, а также выпускной коллектор, расположенные выше по потоку и/или ниже по потоку датчики топливо-воздушного соотношения. Каталитический нейтрализатор 70 отработавших газов может включать в себя многочисленные блоки нейтрализатора в одном из примеров. В еще одном примере, могут использоваться многочисленные устройства снижения токсичности отработавших газов, каждое с многочисленными блоками. Каталитический нейтрализатор 70 отработавших газов, в одном из примеров, может быть каталитическим нейтрализатором трехкомпонентного типа.
Контроллер 12 показан на Фиг. 1 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 106 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, вспомогательную память 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы и информацию с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе, измерение вводимого массового расхода воздуха (MAF) с датчика 120 массового расхода воздуха; температуру охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) с датчика 112 температуры, присоединенного к патрубку 114 охлаждения; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 40; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя; и сигнал абсолютного давления во в коллекторе, MAP, с датчика 122. Постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных ниже, а также их вариантов. Рукав 114 охлаждения двигателя присоединен к системе 9 отопления салона.
Как описано выше, Фиг. 1 показывает только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, и каждый цилиндр может подобным образом включать в себя свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, и т.д.
При определенных условиях, таких как условия во время холодного запуска двигателя, топливо, которое впрыскивается в цилиндр для сгорания, может быть холодным, затрудняя эффективное испарение и гомогенизацию. В некоторых вариантах осуществления, топливо может нагреваться источником теплоты излучения. Фиг. 2 и 3 изображают два примерных варианта осуществления для нагревания топлива посредством источника теплоты излучения. Фиг. 2 изображает вариант осуществления для непосредственного нагревания топлива в цилиндре посредством излучения наряду с тем, что Фиг. 3 изображает вариант осуществления для нагревания топлива в форсунке с использованием лазерного нагревателя, присоединенного к форсунке. Как Фиг. 2, так и Фиг. 3 изображают цилиндр 30, который показан на Фиг. 1. Несмотря на то, что не показаны на Фиг. 2 и 3, должно быть понятно, что другие компоненты, описанные со ссылкой на Фиг. 1, могут быть включены в варианты осуществления, изображенные на Фиг. 2 и 3.
Фиг. 2 показывает систему 192 лазерного нагрева, которая включает в себя возбудитель 188 лазерного излучения и блок 190 управления лазером (LCU). LCU 190 побуждает возбудитель 188 лазерного излучения вырабатывать энергию лазерного излучения. LCU 190 может принимать операционные команды из контроллера 12. Возбудитель 188 лазерного излучения включает в себя часть 186 лазерной накачки и часть 184 сведения излучения. Часть 184 ведения излучения сводит лазерное излучение, выработанное частью 186 накачки лазера, в фокусной точке 182 лазера цилиндра 30 сгорания.
Система 192 лазерного нагрева может направлять энергию лазерного излучения на одно или более местоположений цилиндра 30 сгорания в течение или непосредственно вслед за впрыском топлива. В одном из примеров, система 192 лазерного нагрева может направлять энергию лазерного излучения на топливо в местоположении, прилегающем к наконечнику топливной форсунки, для того чтобы снабжать впрыскиваемое топливо энергией лазерного излучения. Энергия лазерного излучения может разогревать топливо, заставляя его испаряться. Система 192 лазерного нагрева может быть выполнена с возможностью управляться контроллером 12 через LCU 190, для того чтобы выдавать конкретное количество энергии лазерного излучения в цилиндр 30 сгорания в течение длительности и в местоположении, оптимизированных для эффективного испарения топлива без воспламенения топлива. Как только испарено, топливо может воспламеняться системой 88 искрового зажигания.
Система 192 лазерного нагрева выполнена с возможностью настраивать один или более рабочих параметров лазера в зависимости от условий в цилиндре. Например, энергия лазерного излучения может использоваться для нагревания впрыскиваемого топлива во время такта впуска и/или рабочего такта двигателя, в том числе, во время проворачивания коленчатого вала двигателя, операции прогрева двигателя и работы прогретого двигателя. Топливо, впрыскиваемое топливной форсункой 66, может формировать топливо-воздушную смесь по меньшей мере в течение части такта впуска, где испарение топлива энергией лазерного излучения, вырабатываемой возбудителем 188 лазерного излучения, увеличивает гомогенизацию топлива для образования топливно/воздушной смеси, которая может более эффективно сжигаться, когда воспламеняется системой зажигания.
LCU 190 может управлять возбудителем 188 лазерного излучения, чтобы фокусировать энергию лазерного излучения в разных местоположениях в зависимости от условий эксплуатации. Например, LCU 190 может управлять возбудителем 188 лазерного излучения, чтобы фокусировать энергию лазерного излучения в местоположении по умолчанию, на основании положения и угла топливной форсунки 66. Это положение по умолчанию может настраиваться на основании давления в цилиндре, завихрения всасываемого воздуха внутри цилиндра, установки момента открывания впускных и выпускных клапанов, и т.д.
Использование системы 192 лазерного нагрева для нагревания может происходить избирательно и может выполняться в ответ на температуру, например, температуру охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ). В одном из примеров, LCU 190 может направлять возбудитель 188 лазерного излучения, чтобы фокусировать энергию лазерного излучения только во время впрыска топлива, когда ЕСТ находится ниже порогового значения. Кроме того, LCU 190 может управлять возбудителем 188 лазерного излучения, чтобы фокусировать энергию лазерного излучения только во время впрыска топлива, когда состояние заряда аккумуляторной батареи находится выше порогового уровня. При действии таким образом величина энергии, используемой для приведения в действие системы 192 лазерного нагрева, может быть минимизирована.
Контроллер 12 управляет LCU 190 и имеет несъемный машиночитаемый запоминающий носитель, включающий в себя код для настройки местоположения подачи энергии лазерного излучения на основании давления в цилиндре, например, на основании положения поршня 36 относительно верхней мертвой точки (ВМТ). Энергия лазерного излучения может направляться в разные местоположения внутри цилиндра 30. Контроллер 12 также может заключать в себе дополнительные или альтернативные датчики для определения режима работы двигателя 10, в том числе, дополнительные датчики температуры, датчики давления, датчики крутящего момента, а также датчики, которые выявляют частоту вращения двигателя, количество воздуха и величину впрыска топлива. Дополнительно или в качестве альтернативы, LCU 190 может непосредственно поддерживать связь с различными датчикам, такими как датчик 118 на эффекте Холла, для определения режима работы двигателя 10.
Фиг. 3 показывает вариант осуществления для нагревания топлива посредством лазерного нагревателя. В этом варианте осуществления, лазерный нагреватель 194 расположен вокруг форсунки 66. Лазерный нагреватель может быть выполнен с возможностью направлять энергию лазерного излучения на форсунку 66, например, на наконечник форсунки, где выпускается топливо. Подобно системе 192 лазерного нагрева, описанной выше со ссылкой на Фиг. 2, лазерный нагреватель 194 может иметь возбудитель лазерного излучения. В изображенном варианте осуществления, возбудитель лазерного излучения встроен внутри лазерного нагревателя 194. Дополнительно, блок 190 управления лазером может быть предусмотрен для управления величиной энергии лазерного излучения, выдаваемой в лазерный нагреватель 194, а также временными характеристиками и длительностью выдаваемой энергии лазерного излучения.
Несмотря на то, что Фиг. 3 и 4 изображают варианты осуществления для системы нагревания топлива с использованием энергии лазерного излучения, в некоторых вариантах осуществления, энергия мазера может использоваться вместо энергии лазерного излучения. Мазеры выполнены с возможностью испускать микроволновую энергию, которая может быть более низкой по энергии, чем излучение, испускаемое лазером. По существу, мазеры могут быть способными нагревать топливо до точки испарения без риска воспламенения. Кроме того, мазеры могут использовать меньше энергии, чем лазеры, и таким образом, могут быть в большей степени топливосберегающими и экономически эффективными.
Фиг. 4 иллюстрирует пример поршня 36, который может быть включен в двигатель 10. Поршень по Фиг. 4 включает в себя подвижную отражательную область 202, показанную в материалах настоящего документа в качестве расположенной на верхней поверхности поршня 36. Подвижная отражательная область 202 моет иметь многообразие пригодных размеров и форм, которые могут быть обеспечены поршнем 36 и цилиндром 30. Дополнительно, поршень 36 может быть ассоциативно связан с более чем одной подвижной отражательной областью 202. Чтобы содействовать большему распределению энергии лазерного излучения по всему цилиндру 30 сгорания, одна или более отражательных областей 202 могут содействовать системе 192 лазерного нагрева в нагревании впрыскиваемого топлива, перенаправляя энергию лазерного излучения на множество разных местоположений цилиндра. Динамическая природа одной или более отражательных областей 202 предоставляет отражательным областям 202 возможность использоваться в некоторых ситуациях (например, во время нагревания) и быть недоступными в других ситуациях (например, во время сгорания, или когда нагревание больше не является полезным), хотя, в другом варианте осуществления, одна или более отражательных областей 202 могут быть нединамическими, по-прежнему не мешая возбудителю 188 лазерного излучения, фокусирующему энергию лазерного излучения в первом положении для воспламенения топливной/воздушной смеси. Одна или более отражательных областей 202 могут быть расположены где угодно в пределах цилиндра 30 сгорания, чтобы содействовать в перенаправлении энергии лазерного излучения и, таким образом, облегчать большее распределение энергии лазерного излучения в пределах цилиндра 30 сгорания. В качестве альтернативы, в еще одном варианте осуществления, возбудитель 188 лазерного излучения может вырабатывать и направлять энергию лазерного излучения без помощи отражательных областей 202, присутствующих внутри цилиндра 30 сгорания.
Фиг. 5 иллюстрирует способ 500 приведения в действие внешнего источника нагрева топлива. Способ 500 может выполняться системой управления транспортного средства, такой как контроллер 12, в ответ на состояния двигателя, которые указывают, что усиленное испарение топлива посредством источника нагрева может использоваться, чтобы эффективно испарять топливо. Такие состояния включают в себя запуски двигателя, в частности, холодные запуски двигателя. Таким образом, на 501, способ 500 включает в себя определение того, запускается ли двигатель. Во время запуска двигателя, двигатель и топливо могут быть холодными, внося вклад в плохое испарение топлива, которое может увеличивать выбросы. Если двигатель не запускается, например, если двигатель запустился раньше и продолжает работать, способ 500 переходит на 510, чтобы приводить в действие двигатель без нагревания топлива внешним источником нагрева, так как тепло, вырабатываемое двигателем, может достаточно нагревать топливо для эффективного испарения топлива. Используемый в материалах настоящего документа термин «внешний источник нагрева топлива» может включать в себя источники нагрева, иные чем тепло, вырабатываемое сгоранием, и ассоциативно связанное потерянное тепло, такие как система лазерного нагрева, присоединенная к цилиндру.
Если двигатель запускается, способ 500 переходит на 502, чтобы определять, находится ли температура двигателя ниже порогового значения. Температура двигателя, например, может выводиться на основании температуры охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ), определенной датчиком 112. Пороговое значение может быть подходящим пороговым значением, при котором топливо может не испаряться эффективно, таким как температура окружающей среды или специфичная температура, такая как 100°F. Если ответом является нет, и температура двигателя не находится ниже порогового значения, способ 500 переходит на 510 для приведения в действие (например, продолжать запуск) двигателя, не нагревая топливо внешней системой нагрева.
Если ответом является да, и температура двигателя находится ниже порогового значения, способ 500 переходит на 504, чтобы определять, является ли состояние заряда аккумуляторной батареи большим, чем пороговое значение. Состояние заряда аккумуляторной батареи, например, может определяться посредством контроля тока, протекающего в и из аккумуляторной батареи, напряжения аккумуляторной батареи, температуры аккумуляторной батареи, возраста аккумуляторной батареи или различных комбинаций таковых. Если состояние заряда аккумуляторной батареи не является большим, чем пороговое значение, например, большим, чем 30%, энергия для приведения в действие внешнего источника нагрева топлива может возлагать слишком большую нагрузку на аккумуляторную батарею и электрическую систему, в частности, во время холодного запуска двигателя, где стартер и/или другие компоненты уже могут создавать значительную электрическую нагрузку. Способ 500 переходит на 510 для приведения в действие (например, запуска) двигателя без использования внешнего источника нагрева топлива. Если состояние заряда находится выше порогового значения, способ 500 переходит на 506 для приведения в действие внешнего источника нагрева топлива, для того чтобы нагревать топливо для улучшения испарения. Как пояснено выше со ссылкой на Фиг. 2 и 3, внешний источник нагрева может быть системой лазерного или мазерного нагрева, которая выдает энергию излучения непосредственно в топливо вслед за впрыском топлива в цилиндр. В других вариантах осуществления, внешний источник нагрева может быть лазерным или мазерным нагревателем, присоединенным к форсунке, который направляет энергию излучения, чтобы нагревать форсунку, в то время как впрыскивается топливо. Излучение, выдаваемое в нагреваемое топливо, может выдаваться на всем протяжении цикла двигателя (например, во время такта впуска перед впрыском топлива), для того чтобы поддерживать цилиндр и/или форсунку при достаточной температуре, чтобы эффективно испарять топливо. Однако, в других вариантах осуществления, излучение может выдаваться только в течение или непосредственно после впрыска топлива, для того чтобы выдавать дискретный импульс энергии для испарения топлива. Таким образом, может выдаваться только энергия, необходимая для испарения топлива, и может избегаться избыточное расходование энергии.
Как только топливо впрыснуто, нагрето ли оно внешним источником нагрева на 506, или оно не нагрето вешним источником нагрева на 510, впрыснутое топливо воспламеняется с помощью системы искрового зажигания на 508, а затем, способ 500 осуществляет выход.
В дополнение к холодным запускам двигателя, нагревание топлива внешним источником нагрева топлива может быть полезным для испарения топлива в других условиях эксплуатации, в частности, других режимах запуска. Такие режимы могут включать в себя автоматические запуски двигателя вслед за остановом холостого хода, или запуски двигателя, включающие в себя впрыск с топливом, имеющим высокое процентное содержание этилового спирта и т.д.
Как пояснено ранее, внешний источник нагрева топлива может быть системой лазерного нагрева или, в других вариантах осуществления, он может быть лазерным нагревателем. Фиг. 6 иллюстрирует способ 600 испарения топлива с использованием системы лазерного нагрева, присоединенной к цилиндру, такой как система лазерного нагрева, описанная со ссылкой на Фиг. 2. Способ 600 может выполняться контроллером 12 в качестве части способа 500, описанного со ссылкой на Фиг. 5, если определено, что топливо должно нагреваться внешним источником нагрева топлива.
На 602 способ 600 содержит определение параметров содержания топлива. Впрыскиваемое топливо в двигателе может меняться по своему составу в зависимости от некоторого количества факторов. Например, в некоторых географических районах, топливо, имеющееся в распоряжении во время дозаправки бака, может иметь более низкое октановое число, чем в других географических районах. Кроме того, некоторые виды топлива могут содержать в себе только бензин наряду с тем, что другие виды топлива, например, могут быть смесями бензина и этилового спирта. Дополнительно, топливные смеси могут меняться в зависимости от времени года, такого как сезон, так как требования к эксплуатационным качествам топлива могут изменяться по мере того, как изменяется температура окружающей среды. Эти меняющиеся параметры топлива, например, могут изменять точку испарения топлива, так как этиловый спирт имеет более высокую температуру испарения, чем традиционный бензин. По существу, при нагревании топлива с использованием системы лазерного нагрева, параметры топлива могут учитываться при определении величины и/или длительности энергии лазерного излучения, необходимых для испарения топлива без воспламенения. Определение параметров содержания топлива может включать в себя определение параметров содержания топлива на основании выходного сигнала датчика отработавших газов на 604. Датчик отработавших газов, такой как датчик 126, может быть выполнен с возможностью отправлять сигнал в контроллер, который может использоваться для измерения содержания этилового спирта топлива. Например, посредством определения доли молекул кислорода в отработавших газах, которые выделяются из воды, может определяться содержание этилового спирта топлива. В дополнение, параметры содержания топлива могут определяться на основании времени года (например, сезона) и/или географического расположения на 606.
На 608 начальная температура топлива может определяться на основании температуры двигателя. Начальная температура топлива может быть температурой топлива перед впрыском, которая оценивается по общей температуре двигателя.
Система лазерного нагрева может быть выполнена с возможностью направлять пучок энергии лазерного излучения в зону цилиндра, где топливо выходит из форсунки. Направление, в котором распространяется топливо при впрыске, уровень смешивания топлива с всасываемым воздухом и температура топлива и цилиндра, все могут оказывать влияние на эффективность испарения топлива. По существу, система лазерного нагрева может быть выполнена с возможностью настраивать один или более параметров, таких как местоположение фокуса лазера, на основании рабочих параметров цилиндра, для того чтобы эффективно испарять впрыскиваемое топливо. Чтобы поступать таким образом, рабочие параметры цилиндра определяются на 610. Рабочие параметры цилиндра могут включать в себя установку момента зажигания, положение распределительного вала, положение поршня, положение клапана управления движением заряда, положение дросселя, и т.д. Рабочие параметры цилиндра могут определяться относительно впрыска топлива, например, они могут определяться в момент времени непосредственно перед или в течение впрыска топлива.
На 612 местоположение фокуса лазера определяется на основании рабочих параметров цилиндра. Определение местоположения фокуса лазера будет подробнее описано ниже со ссылкой на Фиг. 7. На 614, длительность и величина энергии лазерного излучения, которая должна испускаться системой лазерного нагрева, определяется на основании температуры топлива, параметров топлива и рабочих параметров цилиндра, как будет подробнее описано ниже со ссылкой на Фиг. 8. На 616, возбудитель лазерного излучения приводится в действие для испускания энергии лазерного излучения в определенное местоположение в течение определенной длительности во время впрыска топлива.
Так как испарение и смешивание топлива могут находиться под влиянием рабочих параметров цилиндра, таких как давление в цилиндре, местоположение и длительность выдаваемой энергии лазерного излучения, а также величина энергии лазерного излучения, выдаваемой системой лазерного нагрева, может настраиваться на основании рабочих параметров цилиндра, как описано ниже со ссылкой на Фиг. 7-8.
Фиг. 7 иллюстрирует способ 700 определения местоположения фокуса системы лазерного нагрева. Способ 700 может выполняться контроллером 12 во время выполнения способа 600, для того чтобы определять местоположение фокуса лазера, например, на 612. Способ 700 включает в себя, на 702, установку начального местоположения фокуса на основании положения и угла топливной форсунки. Начальное местоположение фокуса может быть местоположением по умолчанию, которое предопределено во время производства транспортного средства, так как положение и угол форсунки вероятно не должны изменяться. Местоположение фокуса лазера сначала может устанавливаться в положение, прилегающее к тому месту, где топливо выходит из форсунки, для того, чтобы испарять топливо по мере того, как оно впрыскивается до того, как оно рассеяно и смешано с всасываемым воздухом. Однако различные рабочие параметры цилиндра могут оказывать влияние на угол, по которым топливо выходит из форсунки, направление, с которым оно движется, как только впрыснуто, насколько быстро оно рассеивается, и т.д., все из которых могут оказывать действие на эффективность испарения топлива.
Для того чтобы учесть изменения в отношении траектории, которую принимает топливо, как только выходит из форсунки, вызванные описанными выше рабочими параметрами цилиндра, способ 700 включает в себя настройку местоположения фокуса на основании рабочих параметров относительно впрыска топлива на 704. Настройка местоположения фокуса может включать в себя перемещение местоположения фокуса к форсунке и/или от стенки цилиндра по мере того, как положение поршня перемещается ближе к ВМТ, на 706. По мере того, как поршень движется вверх во время такта сжатия, давление в цилиндре возрастает и может увеличиться достаточно, чтобы нарушить траекторию потока впрыскиваемого топлива. По существу, положение фокуса лазера может настраиваться, чтобы находиться ближе к начальному местоположению фокуса, так как давление в цилиндре может предотвращать рассеивание топлива за пределы начальной точки впрыска. Местоположение фокуса лазера может настраиваться на основании установки момента впрыска топлива относительно положения поршня, например, во время события раннего впрыска топлива, топливо может впрыскиваться дальше от поршня (так как поршень находится дальше от ВМТ), а во время события позднего впрыска топлива, топливо может впрыскиваться ближе к поршню. В еще одном другом примере, местоположение фокуса может настраиваться в зависимости от установки момента впрыска топлива.
Настройка местоположения фокуса может включать в себя перемещение фокуса к центру цилиндра по мере того, как закрывается клапан управления движением заряда (CMCV), на 708. CMCV выполнен с возможностью создавать дополнительное завихрение и опрокидывание всасываемого воздуха в цилиндре, когда закрывается, в частности, во время низких чисел оборотов и нагрузок двигателя. Дополнительное завихрение может перемещать топливо ближе к центру цилиндра, и местоположение фокуса может настраиваться соответствующим образом.
Настройка местоположения фокуса может включать в себя перемещение фокуса к центру цилиндра по мере того, как открывается выпускной клапан, на 710. Открытый выпускной клапан может побуждать воздух перемещаться по направлению к выпускному каналу и дает в результате топливо, рассеивающееся в большей степени к центру цилиндра, и таким образом, местоположение фокуса лазера может настраиваться для компенсации.
Примерные настройки для местоположения фокуса, основанные на параметрах цилиндра, представленных в материалах настоящего документа, не являются ограничивающими. Другие параметры цилиндра, которые могут изменять поток топлива, как только впрыснуто, включают в себя положение дросселя, положение впускного клапана, и т.д. Более того, каждый из перечисленных рабочих параметров цилиндра может встречаться в различных комбинациях, например, CMCV может быть закрыт, а поршень может быть близким к ВМТ в одно и то же время (например, во время впрыска топлива) и, как таковое, местоположение фокуса может быть основано на обоих этих параметрах. В таких условиях, давление в цилиндре может изменять нисходящий поток топлива, но повышенное завихрение может смещать его. Положение фокуса может быть расположено на полпути между положениями, по отдельности определенными для каждого параметра, или настраиваться другим подходящим образом. В некоторых вариантах осуществления, местоположение фокуса лазера может устанавливаться прямо перед впрыском топлива и может не изменяться, как только установлено. В других вариантах осуществления, местоположение фокуса может устанавливаться перед впрыском топлива, а затем изменяться в течение или непосредственно вслед за впрыском топлива, для того чтобы придерживаться траектории топлива по мере того, как она изменяется вследствие изменения рабочих параметров цилиндра.
Фиг. 8 иллюстрирует способ 800 определения величины и/или длительности энергии лазерного излучения, выдаваемой системой лазерного нагрева. Способ 800 может выполняться контроллером 12 во время выполнения способа 600, для того чтобы определять величину и длительность энергии лазерного излучения, например, на 614. Способ 800 включает в себя, на 802, установку начальной величины и длительности энергии на основании начальной температуры топлива и точки испарения топлива. Например, может определяться перепад между температурой испарения и начальной температурой топлива, и величина выдаваемой энергии лазерного излучения, и длительность, могут устанавливаться на основании этого перепада, из условия, чтобы температура впрыскиваемого топлива могла повышаться до точки испарения, не превышая ее.
Подобно рабочим параметрам, которые могут оказывать влияние на траекторию топлива, как описано со ссылкой на Фиг. 7, рабочие параметры цилиндра также могут оказывать влияние на величину энергии, требуемой для испарения топлива без воспламенения. Таким образом, на 804, величина и/или длительность энергии лазерного излучения, выдаваемой системой лазерного нагрева, могут настраиваться на основании рабочих параметров относительно впрыска топлива. На 806, величина выдаваемой энергии может снижаться по мере того, как положение поршня перемещается ближе к ВМТ. Чем ближе поршень к ВМТ, тем большее давление создается в цилиндре. Как результат, температура воздуха в цилиндре может возрастать, поднимая температуру топлива по мере того, как оно впрыскивается. Таким образом, меньшая энергия лазерного излучения может требоваться для испарения топлива. На 808, величина энергии лазерного излучения, выдаваемой системой лазерного нагрева, может повышаться по мере того, как открывается CMCV. CMCV имеет тенденцию открываться, когда возрастают число оборотов и/или нагрузка двигателя, так как увеличивается количество всасываемого воздуха, доходящего до цилиндра. Вследствие увеличенного количества всасываемого воздуха, температура цилиндра может падать. Кроме того, количество впрыскиваемого топлива может увеличиваться по мере того, как возрастает нагрузка. Таким образом, величина выдаваемой энергии лазерного излучения может увеличиваться для испарения топлива. Таким образом, величина выдаваемой энергии лазерного излучения может увеличиваться по мере того, как увеличиваются число оборотов и нагрузка двигателя.
Таким образом, способы, описанные выше со ссылкой на Фиг. 5-8, предусматривают нагревание топлива во время впрыска в цилиндр с использованием системы лазерного нагрева. Величина выдаваемой энергии лазерного излучения для нагревания топлива может быть основана на начальной температуре топлива и точке испарения топлива, и может направляться на местоположение в цилиндре на основании положения топливной форсунки. Величина выдаваемой энергии и местоположение фокуса могут настраиваться на основании рабочих параметров, таких как положение поршня, положение CMCV, и т.д., относительно установки момента впрыска топлива. Как только топливо впрыснуто, оно может испаряться системой лазерного нагрева и смешиваться с воздухом в цилиндре, давая топливную/воздушную смесь, которая может воспламеняться системой искрового зажигания.
По существу, рабочие характеристики лазера, например, временные характеристики и интенсивность нагревания для испарения топлива, могут настраиваться на основании установки момента впрыска топлива относительно положения коленчатого вала и/или поршня. В одном из примеров, лазерный нагрев может начинаться раньше относительно ВМТ такта впуска, и на более короткую длительность, во время впрыска в такте впуска; тогда как лазерный нагрев может начинаться позже относительно ВМТ такта впуска, и на более продолжительную длительность, во время впрыска в такте сжатия. В еще одном примере, временные характеристики лазерного нагрева могут настраиваться на основании установки момента впрыска топлива относительно установки момента открывания впускного и/или выпускного клапанов. В одном из вариантов осуществления, лазерный нагрев может начинаться в более ранний момент времени относительно впрыска топлива, если впускной клапан открыт во время впрыска, или может начинаться в более поздний момент времени относительно впрыска топлива, если открыт выпускной клапан. В некоторых вариантах осуществления, лазерный нагрев может начинаться после того, как начат впрыск топлива, и заканчиваться после того, как завершен впрыск топлива, но до подачи искры.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, временные характеристики и/или интенсивность лазерного нагрева могут настраиваться на основании спиртового состава топлива у впрыскиваемого топлива. Например, если впрыскиваемое топливо имеет относительно высокое содержание спирта, лазерный нагрев может начинаться раньше относительно установки момента впрыска, чем если топливо имеет более низкое содержание спирта. К тому же, что касается топлива с высоким содержанием спирта, интенсивность лазерного нагрева и длительность лазерного нагрева могут быть увеличены относительно топлива с более низким содержанием спирта.
В еще одном варианте осуществления, топливо может нагреваться лазерным нагревателем, присоединенным к топливной форсунке, который направляет энергию лазерного излучения на форсунку, чтобы нагревать топливо по мере того, как оно впрыскивается. Фиг. 9 иллюстрирует способ 900 испарения топлива с использованием лазерного нагревателя, присоединенного к форсунке, такого как лазерный нагреватель, описанный со ссылкой на Фиг. 3. Способ 900 может выполняться контроллером 12 в качестве части способа 500, описанного со ссылкой на Фиг. 5, если определено, что топливо должно нагреваться внешним источником топлива.
На 902 способ 900 включает в себя определение параметров содержания топлива. Подобно 602 по способу 600, описанному со ссылкой на Фиг. 6, определение параметров содержания топлива может включать в себя определение параметров содержания топлива на основании выходного сигнала датчика отработавших газов на 904, и/или параметры содержания топлива могут определяться на основании времени года и/или географического расположения на 906.
На 908 начальная температура топлива может определяться на основании температуры двигателя. Начальная температура топлива может быть температурой топлива перед впрыском, которая оценивается по общей температуре двигателя, подобно 608 способа 600.
На 910 лазерный нагреватель приводится в действие во время впрыска топлива. Приведение в действие лазерного нагревателя может включать в себя приведение в действие возбудителя лазерного излучения для возбуждения лазерного излучения, которое направлено на топливную форсунку, на 912. Величина и/или длительность энергии лазерного излучения, которая испускается, могут быть основаны на определенных ранее точке испарения топлива и начальной температуре топлива, на 914. Например, может определяться перепад между температурой испарения и начальной температурой, и величина выдаваемой энергии лазерного излучения, и длительность, могут устанавливаться на основании этого перепада, из условия, чтобы температура впрыскиваемого топлива могла повышаться до точки испарения, не превышая ее. Однако, в некоторых вариантах осуществления. Топливо может нагреваться лазерным нагревателем до температуры едва ниже точки испарения, для того чтобы избежать присутствия паров топлива в форсунке.
Следует принять во внимание, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящего документа, являются примерными по природе, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, противоположно установленному 4-цилиндровому, и другим типам двигателя. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новейшие и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего документа.
Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Должно быть понятно, что такие пункты формулы изобретения включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой изобретения посредством изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в этом или родственном документе.
Такая формула изобретения, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается в качестве включенной в предмет изобретения настоящего раскрытия.
Реферат
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Предложен способ испарения топлива в ДВС, согласно которому нагревают топливо в цилиндре ДВС посредством излучения с использованием лазера 184, присоединенного к цилиндру, для испарения топлива без воспламенения, воспламеняют топливо в цилиндре искровым зажиганием с помощью свечи 92 и регулируют местоположение фокуса лазера в зависимости от условий работы ДВС. Также предложена система двигателя для осуществления описанного способа. Технический результат – улучшение испарения топлива в цилиндре для повышения эффективности сгорания топлива. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 9 ил.
