CN100419240C - 柴油机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在预混合燃烧和通常燃烧的切换时能迅速地控制EGR率的柴油机。其具有燃料喷射装置(9)、外部EGR装置(19)、内部EGR装置(29)、控制燃料喷射装置(9)和外部EGR装置(19)以及内部EGR装置(29)的控制装置(26)，其中，控制装置(26)在预定的运转领域、将燃料早于上止点附近喷射的同时执行较大量的EGR以执行预混合燃烧，而在所述预定的运转领域外、将燃料在上止点附近喷射的同时执行少量的EGR以执行通常燃烧，控制装置(26)在执行预混合燃烧时，使用外部EGR装置(19)和内部EGR装置(29)这两者来控制EGR率，而在执行通常燃烧时，只使用外部EGR装置(19)来控制EGR率。

Description

柴油机
技术领域
本发明涉及根据发动机的运转状态来切换预混合燃烧和通常燃烧的柴油机。
背景技术
在以往的柴油机中，通常是在缸内成为高温、高压的活塞的压缩上止点附近喷射燃料。此时，在燃料喷射中燃料着火而形成火焰，通过向该火焰供给后续的燃料来继续燃烧。在如此以往的燃烧方式中，存在着初期喷射的燃料在着火延迟期间之后一下子燃烧的部分和在空气不足的燃烧气体中的燃烧部分，具有产生NOx或烟雾等的问题。如此，在本说明书中将燃料在其喷射中着火的燃烧方式称作通常燃烧。
对此，本申请人提出了一种将燃料的喷射时期早于压缩上止点并在燃料的喷射结束后混合气着火的柴油机(参照专利文献1)。
在这种柴油机中，在燃料喷射结束后，因经过一定程度的期间预混合气才着火，所以直到着火预混合气被充分稀薄和均匀化。因此，局部的燃烧温度会下降，降低了NOx排出量。另外，由于避免了局部空气不足状态下的燃烧，也可抑制烟雾的产生。如此，在燃料喷射结束后混合气着火的燃烧方式在本说明书中称作预混合燃烧，将结束燃料喷射起到混合气着火的期间称作预混合期间。
专利文献1：日本特开2003-83119号公报
尽管为有效地改善废气的预混合燃烧，但预混合期间不充分时，存在着不能获得废气改善的效果和油耗会恶化的情况。例如，预混合期间过短时，预混合气的稀薄和均匀化不充分，废气的改善效果会降低。另外，预混合期间过短而预混合气的着火时期在上止点之前时，因着火后受到活塞的压缩，油耗会恶化。
本申请人为解决该问题进行了各种尝试的结果发现，与燃料的早期喷射相配合，通过执行较大量的EGR(提高预混合气的EGR率)，可充分确保预混合期间。即，如提高EGR率，因降低了预混合气的氧浓度，能够加长预混合期间。另外，该技术在本申请的提出时未公开，不构成以往技术。对此伴随着较大量的EGR(废气再循环)的预混合燃烧在本说明书中也称作PCI(Premixed Compression Ignition)燃烧。
可是，PCI燃烧在发动机的高负载区域很难实现。其理由如下：
(1)因在发动机的高负载区域，燃料喷射量变多，为了确保合适的空燃比，必须有大量的氧(空气)。如此，为了在燃料和氧多的状态下充分确保预混合期间，需要更进一步进行大量的EGR。即，需要将大量空气(新气)和大量的EGR气体导入燃烧室，但在目前不能确立实现上述要求的吸气系统(增压系统)。
(2)因相对于通常燃烧下喷射的燃料一点一点(一部分一部分)地燃烧，PCI燃烧中将喷射的所有燃料混合后进行燃烧，缸内最高压力高于通常燃烧。因在燃料喷射量多的高负载区域下，缸内最高压力变得更高，存在着发动机的强度不支持的可能性。
为此，本申请人考虑到根据发动机运转状态(特别是发动机负载)来切换PCI燃烧和通常燃烧的技术。即，在发动机负载较低的区域，执行PCI燃烧，而在发动机负载较高的区域，执行通常燃烧。
在此，PCI燃烧和通常燃烧下，必要(适当)的EGR率具有较大的差别。原因是，在上述的PCI燃烧下，通过执行大量的EGR能够使预混合期间长期化、可改善废气，但因在通常燃烧下，执行大量EGR时，发生局部的氧不足并产生烟雾，需要抑制EGR率使之降低到一定程度。
因此，发动机的运转状态从PCI燃烧的执行区域过渡到通常燃烧的执行区域时，或者相反时，需要使EGR率较大地变化。
可是，因EGR气体和吸入空气具有压缩性，很难使预混合气的EGR率迅速地变化。特别是，在将排气通路内的废气的一部分向吸气通路回流的外部EGR装置中，因存在着从EGR阀到燃烧室的距离(吸气路径)所致的容积部分、具有EGR阀的响应延迟，EGR率变化的时间延迟会更显著。
相对于此，燃料的喷射时期因通过对喷油器的通电时期的控制，能够较高精度地进行控制，能够迅速地对应于PCI燃烧和通常燃烧的切换。结果，在PCI燃烧和通常燃烧的切换后，会产生燃料喷射时期与EGR率的失配，存在着废气或油耗的恶化的可能性。
发明内容
为此，本发明的目的是在预混合燃烧和通常燃烧的切换之际，能够迅速地控制EGR率。
为了实现上述目的，本发明的柴油机具有向燃烧室内喷射燃料的燃料喷射装置、将排气通路内的废气的一部分通过EGR通路向吸气通路回流的外部EGR装置、控制吸气阀或排气阀的开关时期从而使废气的一部分向燃烧室返回或残留的内部EGR装置、控制所述燃料喷射装置和外部EGR装置以及内部EGR装置的控制装置，所述控制装置在预定的运转领域，将燃料早于上止点附近进行喷射的同时，执行较大量的EGR，从而执行在燃料的喷射结束后预混合气着火的预混合燃烧，而在所述预定的运转领域外，将燃料在上止点附近喷射的同时，执行比执行所述预混合燃烧时少量的EGR，从而执行燃料在其喷射中着火的通常燃烧，所述控制装置在执行所述预混合燃烧时，使用所述外部EGR装置和内部EGR装置这两者来控制EGR率，而在执行所述通常燃烧时，不执行所述内部EGR装置进行的EGR而只使用所述外部EGR装置来控制EGR率。
在此，所述预混合燃烧可在较低负载的运转领域中被执行。
另外，所述控制装置在执行所述预混合燃烧时，可控制所述外部EGR装置，以使所述外部EGR装置所致的EGR率与执行所述通常燃烧时的最大EGR率基本相等，并且，控制所述内部EGR装置，以对凭借所述外部EGR装置所致的EGR而不足的部分加以补偿。
另外，所述内部EGR装置可为在吸气行程中开放排气阀的机构。
而所述内部EGR装置可为使排气行程中的排气阀的开放期间比通常时短的机构。
发明的效果
根据本发明，在预混合燃烧与通常燃烧的切换之际能够发挥迅速地控制EGR率的优良效果。
附图说明
图1为本发明一实施方式的柴油机的示意图。
图2为在每个发动机运转状态下确定目标EGR率的映射图。
图3(a)为确定外部EGR装置的目标EGR率的映射图，(b)为确定内部EGR装置的目标EGR率的映射图。
图4(a)为示出在本发明一实施方式的柴油机中、从PCI燃烧切换为通常燃烧时的EGR率变化的视图，(b)为示出在只使用外部EGR装置来控制EGR率的发动机中、从PCI燃烧切换为通常燃烧时的EGR率变化的视图。
具体实施方式
以下，根据附图详细地说明本发明的一较佳实施方式。
图1为本实施方式的柴油机(以下简称为发动机)的示意图。另外，图1中尽管只示出了一个汽缸，当然也可以是多个汽缸。
图中1为发动机本体，其由汽缸2、汽缸盖3、活塞4、吸气口5、排气口6、吸气阀7、排气阀8、喷油器9等构成。在汽缸2与汽缸盖3间的空间形成燃烧室10，燃料从喷油器9直接向燃烧室10内喷射。在活塞4的顶部形成腔室11，腔室11成为燃烧室10的一部分。腔室11成为底部中央隆起的ω形燃烧室的形态。另外，本发明的燃烧室10的形状并没有限制，也可以是凹形燃烧室等。
喷油器9与汽缸2大致同轴地设置，将燃料从多个喷射孔(孔)同时成放射状喷射。喷油器9与共轨(コモンレ一ル)24连接，被贮存在该共轨24中的高压燃料总是向喷油器9供给。向共轨24中的燃料压送是由高压供给泵25实现的。另外，本申请的“权利要求书”中的“燃料喷射装置”为包括喷油器9、共轨24、高压供给泵25等燃料喷射所需要素的称谓。
吸气口5与吸气管12连接，而排气口6与排气管13连接。
本实施方式的发动机还具有将排气管13(排气通路)内的废气的一部分向吸气管12(吸气通路)回流的外部EGR装置19，和控制排气阀8的开关时期以将废气的一部分返回到燃烧室10内的内部EGR装置29。
外部EGR装置19具有将吸气管12和排气管13连接的EGR管20(EGR通路)、改变EGR管20的管路面积以调节EGR率用的EGR阀21、在EGR阀21的上游侧冷却EGR气体的EGR冷却器22。通过加大EGR阀21的阀开度，能够提高预混合气的EGR率，相反，通过减小EGR阀21的阀开度，能够降低预混合气的EGR率。另外，在吸气管12中，在与EGR管20的连接部的上游侧设有将吸入空气适当节流的吸气节气阀23。
内部EGR装置29具有可变阀机构28，其带有驱动(开关)排气阀8用的电磁阀。可变阀机构28在执行EGR之际，在发动机的吸气行程中暂时开放排气阀8。由此，排气口6和排气管13内的废气的一部分被返回到燃烧室10内。通过加长吸气行程中的排气阀8的开放期间，能够提高预混合气的EGR率，相反，通过缩短，能够降低EGR率。
设有电控该发动机用的ECU(控制装置)26。ECU26从各种传感器类读取发动机的运转状态，并根据该发动机的运转状态，控制喷油器9、EGR阀21、可变阀机构28、吸气节气阀23等。作为前述传感器类，包含有检测油门踏板开度(发动机负载)的踏板开度传感器14、检测发动机的回转速度的发动机回转传感器15、检测出发动机的曲轴(未图示)的角度的曲柄角度传感器16、检测出共轨24内的燃料压力的共轨压传感器17等，并将这些各传感器的检测值向ECU26输入。
本实施方式的ECU26根据发动机的运转状态，切换PCI燃烧和通常燃烧。
即，在发动机负载较低的区域，使燃料的喷射时期早于压缩上止点附近(例如400～200BTDC左右)的同时执行较大量的EGR，而使在燃料的喷射结束后，预混合气着火的PCI燃烧(预混合燃烧)执行，在发动机负载较高区域(执行PCI燃烧的区域外)，执行在压缩上止点前进行的较少量的辅助喷射(パイロツト噴射)和在压缩上止点附近进行的较大量的主喷射，同时，执行比进行上述PCI燃烧时要少的EGR，执行燃料在其喷射中着火的通常燃烧。
ECU26预先输入在每个发动机的运转状态下确定了燃料喷射量、燃料喷射时期、EGR率(或者，相对于外部EGR装置19和内部EGR装置29的控制量)等的目标值(最佳值)的映射图。ECU26根据踏板开度传感器14或发动机回转传感器15等的检测值，从映射图中确定燃料喷射量、燃料喷射时期和EGR率等的目标值，并据此控制喷油器9、外部EGR装置19和内部EGR装置29。在执行PCI燃烧的运转领域，目标燃料喷射时期早于上止点附近，目标EGR率设定地较高，而在执行通常燃烧的运转领域，辅助喷射的目标燃料喷射时期早于上止点，主喷射的目标燃料喷射时期在上止点附近，目标EGR率设定地较低。即，根据映射图来控制喷油器9，外部EGR装置19和内部EGR装置29，由此能够与发动机的运转状态相应地自动地切换PCI燃烧和通常燃烧。
正如“发明所要解决的技术问题”部分所说明的，PCI燃烧和通常燃烧中，目标EGR率(最佳的EGR率)有较大的差别。对此用图2进行说明。
图2为在每个发动机的运转状态下确定了目标EGR率的映射图，图中线A为PCI燃烧和通常燃烧的切换线。即，发动机的运转状态位于线A下侧的区域(发动机负载较低区域)时，执行PCI燃烧，而在线A上侧的区域时，执行通常燃烧。
正如图示，在执行PCI燃烧的区域，目标EGR率被设定地较高(在图例中为50～60％)。这是由于通过执行大量的EGR就可充分地确保预混合期间并可获得良好的废气和油耗的缘故。在执行PCI燃烧的区域，发动机负载越变大，目标EGR率就被设定地越高。因此，在与通常燃烧的切换线A附近，目标EGR率成最大(在此为60％)。
另外，在执行通常燃烧的区域，目标EGR率与执行PCI燃烧的区域相比设定地较低(在图例中为5～30％)。这是为了避免氧不足所致的烟雾产生的缘故。在执行通常燃烧的区域，发动机负载越低，目标EGR率就被设定地越高。因此，在与PCI燃烧的切换线A附近，目标EGR率成为最大(在此为30％)。在本实施方式中，将通常燃烧中的最大目标EGR率(在此为30％)设定成低于PCI燃烧中的最低目标EGR率(50％)。
如此，因在PCI燃烧的执行区域和通常燃烧的执行区域，目标EGR率具有较大的差别，因此，在切换线A的两侧，目标EGR率具有较大的不同。在图2所示例中，在切换线A的两侧，目标EGR率有30％的不同。因此，发动机的运转状态以横切线A的方式变化来切换PCI燃烧和通常燃烧时，需要使预混合气的EGR率在短时间内降低或增加30％。
本实施方式的柴油机在PCI燃烧和通常燃烧的切换时刻，要进行使EGR率迅速变化的工作。
具体而言，ECU26在执行PCI燃烧的运转领域，使上述的外部EGR装置19和内部EGR装置29这两者动作，从而将预混合气的EGR率控制为目标EGR率。另外，在执行通常燃烧的运转领域，不执行内部EGR装置29进行的EGR，只使外部EGR装置19动作，以将预混合气的EGR率控制为目标EGR率(参照图4(a))。即，切换PCI燃烧和通常燃烧之际，通过切换内部EGR装置29的动作/不动作，可使EGR率会较大且迅速地变化。
图3示出确定了外部EGR装置19和内部EGR装置29各自的目标EGR率的映射图。图3(a)为确定外部EGR装置19的目标EGR率的映射图，(b)为确定内部EGR装置29的目标EGR率的映射图。将这两个映射图中确定的目标EGR率合计时，变得与图2的映射图中所示的目标EGR率相等。
正如图示，在执行通常燃烧的区域，外部EGR装置19的目标EGR率设定成与图2所示的目标EGR率相等，内部EGR装置29的目标EGR率设定成0％。在执行通常燃烧的区域，很显然只用外部EGR装置19来控制EGR率。
另外，在执行PCI燃烧的区域，外部EGR装置19的目标EGR率与发动机的运转状态无关地成为一定值。该目标EGR率设定成与执行通常燃烧的区域中的最大目标EGR率(为切换线A附近的目标EGR率，在此为30％)大致相等。并且，内部EGR装置29的目标EGR率被设定为PCI燃烧中需要的EGR率(图2所示的目标EGR率)与外部EGR装置19的目标EGR率的差，即凭借外部EGR装置19进行的EGR不足的部分的EGR率(在此为20～30％)。
下面用图4(a)对在本实施方式的发动机中，从PCI燃烧切换为通常燃烧时的、燃烧室内的预混合气的实际的EGR率变化加以说明。另外，图4(b)是为了比较示出预混合气的EGR率控制中只使用外部EGR装置19的发动机的EGR率变化的图示。
图中横轴为时间，在时刻T，发动机的运转状态从PCI燃烧执行区域切换到通常燃烧执行区域。
在时刻T前，即正执行PCI燃烧时，预混合气的EGR率被控制地较高(图中为60％)。
此时，正如图4(a)所示，在本实施方式的发动机中，通常燃烧中的最大EGR率部分(30％)由外部EGR装置19所实现，剩余部分(30％)由内部EGR装置29所实现。对此，在图4(b)的发动机中，所有的EGR率(60％)均由外部EGR装置19所实现。
到达时刻T并从PCI燃烧切换为通常燃烧时，目标EGR率较大地降低(在此为60％→30％)。
此时，在本实施方式的发动机中，如图4(a)所示，将内部EGR装置29进行的EGR全部停止(30％→0％)。这是通过使吸气行程中的排气阀8的开放期间实质上为零来实现的，因此可在1个循环中对应。即，在吸气行程中，如开放排气阀，废气不能返回到燃烧室10内，不会发生时间滞后，能可靠且迅速地成为0％。另外，外部EGR装置19进行的EGR率由于与切换到通常燃烧后的目标EGR率(通常燃烧中的最大目标EGR率)相等，相对外部EGR装置19的控制量维持原状。通过以上的控制，预混合气的实际的EGR率在时刻T急剧地下降，并与目标EGR率(30％)相一致。
对此，在图4(b)所示的发动机中，在时刻T，从PCI燃烧切换为通常燃烧时，调节对于外部EGR装置19的控制量(EGR阀21的阀开度)以降低EGR率。此时，由于从EGR阀21到燃烧室10存在着吸气路径和具有EGR阀的响应延迟等，EGR率如图示缓慢地变化。结果，在图中的区域B，目标EGR率与实际的EGR率存在差值，因而在燃料喷射时期和EGR率上发生失配，存在着废气和油耗恶化的可能性。
在本实施方式的发动机中，从PCI燃烧切换为通常燃烧时，由于可使EGR率迅速地变化，因而燃料喷射时期和EGR率的失配不会发生，废气和油耗不会恶化。
另外，与图4所示例相反，从通常燃烧切换为PCI燃烧时，从外部EGR装置19单独进行的EGR率控制切换为外部EGR装置19和内部EGR装置29这两者进行的EGR率控制。此时也由于在1个循环中实现内部EGR装置29带来的EGR率的上升(0→30％)，从而可以使EGR率迅速地变化。
但是，如考虑到与PCI燃烧、通常燃烧无关地总是只使用内部EGR装置29来控制预混合气的EGR率的话，则能够使EGR率以某种程度迅速地变化。可是，内部EGR的缺点是，因将不通过冷却器的高温废气返回燃烧室10内，会使预混合气的温度上升从而导致废气恶化等。为此，只使用内部EGR装置29来控制EGR率效果不好。
本实施方式的发动机通过使用外部EGR装置19和内部EGR装置29这两者，可将内部EGR的缺点抑制在最小限度，同时可将EGR率迅速地变化。
本发明并不限于上述的实施方式。
例如，图2和图3中示出了确定了EGR率的目标值的映射图，但本发明并不限于此，也可制成将与目标EGR率相对应的EGR装置的控制量(外部EGR装置19的EGR阀21的阀开度、内部EGR装置29的可变阀机构28进行的排气阀8的开放期间等)加以确定的映射图，ECU26根据该映射图来控制外部EGR装置19和内部EGR装置29。
另外，可变阀机构28并不限于具有调节排气阀8的开关时期的电磁阀的机构，也可为具有多个开关排气阀2用的凸轮，从这些凸轮中选择要使用的凸轮的类型。
另外，内部EGR装置29并不限于在吸气行程中开放排气阀8的类型，可适用排气行程中的排气阀8的开放期间比通常时刻(不执行内部EGR时)短从而使废气的一部分存留在燃烧室10内的类型，或者在排气行程中将吸气阀7暂时开放、将废气的一部分存留在吸气口5和吸气管12内以在吸气行程中将该废气与吸气一同返回到燃烧室10内的类型等所有类型的内部EGR装置。
再者，在上述实施方式中执行通常燃烧时，对辅助喷射和主喷射进行了说明，但本发明并不限于此。例如，也可只进行主喷射，也可在主喷射后，执行使未燃燃料燃烧用的在后喷射。

Claims (2)

1. 一种柴油机，其特征在于，具有向燃烧室内喷射燃料的燃料喷射装置、将排气通路内的废气的一部分通过具有EGR冷却器的EGR通路向吸气通路回流的外部EGR装置、控制吸气阀或排气阀的开关时期从而使废气的一部分向燃烧室返回或残留的内部EGR装置、控制所述燃料喷射装置和外部EGR装置以及内部EGR装置的控制装置，
所述控制装置在预定的运转领域，将燃料早于上止点附近进行喷射的同时，执行较大量的EGR，从而执行在燃料的喷射结束后预混合气着火的预混合燃烧，而在所述预定的运转领域外，将燃料在上止点附近喷射的同时，执行比执行所述预混合燃烧时少量的EGR，从而执行燃料在其喷射中着火的通常燃烧，
所述控制装置在执行所述预混合燃烧时，使用所述外部EGR装置和内部EGR装置这两者来控制EGR率，此时，控制所述外部EGR装置，以使所述外部EGR装置所致的EGR率与执行所述通常燃烧时的最大EGR率基本相等，并且，控制所述内部EGR装置，以对凭借所述外部EGR装置所致的EGR而不足的部分加以补偿；而在执行所述通常燃烧时，不执行所述内部EGR装置进行的EGR而只使用所述外部EGR装置来控制EGR率。
2. 按照权利要求1所述的柴油机，其特征在于，所述预混合燃烧在较低负载的运转领域中被执行。
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