CN100476169C - 带有增压器的内燃机 - Google Patents

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Abstract

在带有增压器的内燃机中，提供有能够迅速提高增压压力的技术。在带有增压器的内燃机中，该内燃机包括连通通道(6)，该连通通道(6)连接在排气道(3)的增压器(4)废气涡轮(4c)的上游和下游的部分之间，以及废气阀门(7)，该废气阀门(7)布置在所述连通通道(6)中，以便从所述连通通道(6)的上游侧向其下游侧打开，提供驱动装置，该驱动装置作用固定力到所述废气阀门(7)上，该固定力从所述连通通道(6)的下游侧指向上游侧。通过作用固定力到废气阀门(7)，所述废气阀门(7)不会打开，直到在废气阀门(7)的上游侧和下游侧之间的压力差变得大于固定力，因此增压压力平稳升高。

Description

带有增压器的内燃机
技术领域
本发明涉及带有增压器的内燃机。
背景技术
在带有增压器的内燃机中，为了阻止在发动机输出功率上的过度增加，提供有连通通道，该连通通道用于连接在增压器废气涡轮的上游侧和下游侧之间，以及废气阀门，该废气阀门用于打开和关闭连通通道，其中，当增压压力升高时，废气阀门打开以降低经过废气涡轮的废气的流速，以便阻止增压压力过度升高。
已知有一种技术，在该技术中，提供主推动装置，该主推动装置用于按照增压压力的升高在废气的下游方向上推动废气阀门，以及推动力修正装置，该推动力修正装置用于按照压力差的大小在消除废气阀门的上游侧和下游侧之间的压力差的方向上推动废气阀门，其中，通过平衡在废气阀门的上游侧和下游侧之间的压力差的影响，喘振被抑制(参见，例如，第一专利文献(日本实用新型申请公开NO.S63-82033，第二专利文献(日本专利申请公开NO.2002-195046)，第三专利文献(日本专利申请公开NO.H5-141258)，第四专利文献(日本专利申请公开NO.H3-294623)，以及第五专利文献(日本专利申请公开NO.H1-110832))。
但是，用于驱动废气阀门的弹簧如此设置，使得废气阀门在最大增压压力完全打开。以这种设置，当废气阀门的上游侧和下游侧之间的压力差变得等于或者高于某个压力时，该压力正好低于最高增压压力，弹簧按照增加的压力差逐渐移位，因此废气阀门被强迫逐渐打开。当废气阀门以这种方式逐渐打开时，用于旋转涡轮的废气的量过度减少，因此使得增压压力的升高迟钝或者缓慢。结果，发动机扭矩增加不迅速，因此恶化驾驶性能。
发明内容
鉴于上述问题做出本发明，本发明的目的为是，提供一种能够在带有增压器的内燃机中迅速提高增压压力的技术。
为了实现上述目的，如本发明所述的带有增压器的内燃机包括：
连通通道，该连通通道连接在排气道的增压器废气涡轮的上游和下游的那些部分之间；以及废气阀门，该废气阀门布置在所述连通通道中，以便从所述连通通道的上游侧向其下游侧打开；以及
其特征在于，包括驱动装置，该驱动装置将从所述连通通道的下游侧指向上游侧的固定力施加到所述废气阀门上。
本发明的主要特征在于：通过向废气阀门施加固定力，所述废气阀门不打开，直到在废气阀门的上游侧和下游侧之间的压力差变得大于固定力。
即，废气阀门通过驱动装置用固定力关闭，从而所述废气阀门不打开，直到固定力在阀门开启方向上作用到废气阀门上。因此，使全部废气量流过废气涡轮是可能的，因此增压压力能够迅速提高。另外，当等于或大于固定力的压力差作用到废气阀门上时，所述废气阀门打开以允许废气流入连通通道，结果流过废气涡轮的废气量减少，因此，抑制增压压力的进一步升高。
在这里，注意“固定力”可以是当增压压力变成最大时作用到废气阀门上的力。
在本发明中，进一步提供进气节气门，该进气节气门布置在内燃机的进气道中，用于按照加速器开启程度调节进气的流速。
当加速器开启小于或等于所述进气节气门的开度变成预定的开度时的加速器开启程度时，从所述连通通道的下游侧指向上游侧的固定力作用到所述废气阀门，而当加速器开启大于所述进气节气门的开度变成预定的开度时的加速器开启程度时，在从所述连通通道的下游侧到上游侧的方向上作用到所述废气阀门上的力按照增加的加速器开启程度增加。
在这里，注意在对内燃机不要求大输出的运行状态下，也不要求高增压压力。但是，在带有增压器的传统内燃机中，废气阀门在低增压压力的状态下不能打开，因此内燃机的输出通过改变进气节气门的开度调节，直到增压压力提高到废气阀门能够打开的压力值。但是，如果输出以这种方式通过改变进气节气门的开度调节，那么取决于废气涡轮的旋转的机械损失、在增压器和中冷器中的热损失、由于废气压力的升高的泵气损失等等变大，导致发动机效率的减少。
另外，即使通过使废气阀门用电控制，所述废气阀门能够在任意增压压力打开，按照驾驶员对加速踏板的控制平稳执行输出调节也是困难的。
在这一点上，根据本发明，关于输出增加要求，废气阀门用相对小的固定的或不变的力关闭，直到进气节气门的开度调节到变成预定开启的加速器开启程度。这时，输出增加要求越大，也就是，加速器开启程度、进气节气门的开度以及废气阀门的开度变得越大，以及在有进一步增加的输出增加要求的情况下，输出增加要求越大，产生越大的作用到废气阀门的力。在这种情况下，废气阀门的开度逐渐减少，据此内燃机的输出增加。
因此，在不需要大输出的运行状态下，通过调节关闭废气阀门的力到相对小的常数值，废气阀门甚至能够用低的增压压力打开。结果，进气节气门的开度能够达到更大，发动机效率能够提高。
另外，在进气节气门已经调节到预定开度的情况下，输出调节能够通过逐渐改变关闭废气阀门的力实现。结果，平稳输出调节能够实现。
考虑到上文，为了实现所述目的，如本发明所述的带有增压器的内燃机包括：
连通通道，该连通通道连接在排气道的增压器废气涡轮的上游和下游的部分之间；
废气阀门，该废气阀门布置在所述连通通道中，以便从所述连通通道的上游侧向其下游侧打开；以及
进气节气门，该进气节气门布置在内燃机的进气道中，用于按照加速器开启程度调节进气的流速；以及
其特征在于，进一步包括驱动装置，该驱动装置作用从所述连通通道的下游侧指向上游侧的力到所述废气阀门上。
其特征可以在于，当加速器开启大于一个加速器开启程度时，在该加速器开启程度，所述进气节气门的开度变成预定开度，所述驱动装置按照增加的加速器开启程度增加作用到所述废气阀门的力。
此外，所述驱动装置可以按照发动机每分钟转数改变作用到所述废气阀门的力。
另外，在本发明中，从驱动装置作用到所述废气阀门的固定力能够如此决定，从而所述废气阀门在所述进气节气门完全打开之前不完全打开。以这种布置，进气节气门能够以快速的方式完全打开，发动机效率能够提高。
在本发明中，从所述驱动装置作用到所述废气阀门的力能够决定为一个值，使用该值，在内燃机全负荷下的增压压力不超过允许值。
因此，通过决定从驱动装置作用到废气阀门的力，从而在内燃机全负荷下的增压压力不超过允许值，废气阀门在增压压力超过允许值之前打开，从而废气开始流入连通通道。结果，抑制增压压力超过允许值是可能的。
如在上文中所述的，在如本发明所述的带有增压器的内燃机中，通过在增压压力升高到满意的程度之前阻止废气阀门打开，增压压力能够迅速提高或增加。
附图说明
图1是显示内燃机和其进气及排气系统以及增压器一起的示意性结构的视图，如本发明的第一个和第二个实施例所述的带有增压器的内燃机应用于该内燃机。
图2是显示在带有增压器的传统内燃机中废气阀门的开度和作用在废气阀门上的力的大小之间的关系的视图。
图3是显示在如本发明的第一个实施例所述的带有增压器的内燃机中废气阀门的开度和作用在废气阀门上的力的大小之间的关系的视图。
图4是时间图，显示进气节气门(上线)、废气阀门的开度(中线)和增压压力(下线)的变化。
图5是显示如第二个实施例所述的加速踏板压下的量、进气节气门开启和废气阀门的关闭力之间的关系的视图。
图6是显示如第二个实施例所述的加速踏板压下的量和由内燃机产生的扭矩之间的关系的视图。
图7是显示如第二个实施例所述的加速踏板压下的量和废气阀门的开度之间的关系的视图。
具体实施方式
在下文中，如本发明所述的优选实施例将会参照附图说明。
图1是显示内燃机和其进气及排气系统以及增压器一起的示意性结构的视图，如本发明的该实施例所述的带有增压器的内燃机应用于该内燃机。在图1中所示的内燃机1是水冷四冲程柴油机。
进气管2和排气管3与内燃机1相连。涡轮增压器4的压气机机壳4a布置在进气管2上，该涡轮增压器4由作为动力源的废气的能量运转。此外，进气节气门5布置在进气管2上，在压气机机壳4a的下游侧，该进气节气门5调节经过进气管2的进气的流速。进气节气门5由电动执行机构打开和关闭。
另一方面，涡轮增压器4的涡轮机壳4b布置在排气管3上。废气涡轮4c被布置在涡轮机壳4b内，该废气涡轮4c由废气的能量驱动以旋转。
另外，布置有连通通道6，该连通通道6连接在涡轮机壳4b的上游和下游的排气管3的那些部分之间。阀座61布置在该连通通道6内，该阀座61用来使连通通道6的横截面面积变窄。另外，废气阀门7如此布置在连通通道6内，从而与阀座61是可接触的，该废气阀门7用来调节经过所述连通通道6的废气的流速。
废气阀门7与电动机9通过连接机构8相连。此外，废气阀门7能够平行于经过连通通道6的废气的流动方向移动。当废气阀门7被强迫移向其打开侧时，它在从连通通道6内的废气流动的上游侧到下游侧的方向上移动，而当废气阀门7被强迫移向其关闭侧时，它在从连通通道6内的废气流动的下游侧到上游侧的方向上移动。即，当阀座61的下游侧接触废气阀门7的上游侧时，废气在连通通道6内的流动被切断。在这里，注意废气阀门7可以选取任何其他形状，只要当在连通通道6内废气阀门7的上游的压力高于其下游的压力时，压力差作用在打开废气阀门7的方向上。
以电控单元的形式用于控制内燃机1的ECU10与如所述方式构造的内燃机1一起提供。该ECU10用来按照内燃机1的运行条件和驾驶员的要求控制内燃机1的运行状态。
另外，通过电线连接到ECU10的是加速器开启传感器12，曲轴位置传感器13以及其他各种传感器，该加速器开启传感器12能够输出对应于驾驶员已经压下加速踏板11的压下的量的电信号，并检测发动机负荷状态，该曲轴位置传感器13检测发动机的每分钟转数，从而各种传感器的所述变量的输出信号输入ECU10。
另一方面，进气节气门5和电动机9通过电线连接到ECU10，从而进气节气门5和电动机9能够由ECU10控制。例如，ECU10根据加速器开启传感器12的输出信号控制进气节气门5的开度。
当ECU10给电动机9提供电力时，电动机9被驱动以在关闭废气阀门7的方向上旋转。在这里，注意通过给电动机9提供固定电压和固定电流，由电动机9产生的扭矩能够保持不变。结果，可使关闭废气阀门7的力(在下文中称为关闭力)为常量。当固定电压加到电动机9时，从电动机产生的扭矩能够按照流入电动机9的增加的电流增加，因此废气阀门7的关闭力能够增加。在这里，注意在该实施例中的电动机9对应在本发明中的驱动装置。
但是，在带有增压器的传统内燃机中，废气阀门由弹簧的推动力关闭。
在这里，图2是显示在带有增压器的传统内燃机中废气阀门的开度和作用在废气阀门上的力的大小之间的关系的视图。横坐标的轴代表废气阀门的开度，以及纵坐标的轴代表作用在废气阀门上的力的大小。
在图2中的虚线表示在废气阀门的上游侧和下游侧之间的压力差的大小，也就是，打开废气阀门的力的大小。进气节气门的开度越大，废气阀门的上游侧和下游侧之间的压力差变得越大。即，在图2中，随着进气节气门的开度增大，虚线向上方移动。此外，在图2中的实线表示关闭废气阀门的力，也就是，弹簧的推动力。在这里，注意打开废气阀门的力是从废气阀门的上游侧指向下游侧的力，以及关闭废气阀门的力是从废气阀门的下游侧指向上游侧的力。
废气阀门的开度由关闭废气阀门的力和打开废气阀门的力的交叉点表示(例如，在图2中的点A到D)。
当进气节气门的开度小的时候以及当打开废气阀门的力小于关闭废气阀门的力(在图2中的点A)的时候，废气阀门保持关闭。
当进气节气门的开度增加时，打开废气阀门的力增加。当进气节气门开启变成大于在打开废气阀门的力和关闭废气阀门的力变成相等(在图2中的点B)时的进气节气门开启时，打开废气阀门的力变得大于关闭废气阀门的力，因此废气阀门被打开(在图2中的点C)。此外，当进气节气门的开度增大时，打开废气阀门的力变大，因此废气阀门的开度相应增加。弹簧的弹簧常数如此设置，从而当进气节气门变成完全打开时(在图2中的点D)，废气阀门也完全打开。
以这种方式，在带有增压器的传统内燃机中，废气阀门由弹簧推动。因此，在进气节气门完全打开之前，打开废气阀门的力变得大于关闭废气阀门的力，因此，废气阀门开始打开。结果，废气流入连通通道6，因此，经过涡轮机壳4b的废气的量相应减少，因此使得增压压力的升高迟钝或缓慢。
另一方面，图3是显示在如该实施例所述的带有增压器的内燃机中废气阀门的开度和作用在废气阀门上的力的大小之间的关系的视图。横坐标的轴代表废气阀门7的开度，以及纵坐标的轴代表作用在废气阀门7上的力的大小。在这里，注意在图3中的点A到D和在图2中的具有相同的意义。
在该实施例中，通过一直给电动机9提供固定电压和固定电流，电动机9产生不变的或固定的扭矩。因此，关闭废气阀门7的力总是变成常量。提供给电动机9的电流和电压如此设置，从而关闭废气阀门7的力(也就是，由电动机9作用到废气阀门7的力)以及当进气节气门5完全打开时打开废气阀门7的力(也就是，由废气阀门7的上游侧和下游侧之间的压力差作用到废气阀门7的力)变成相等。因此，通过使关闭废气阀门7的力不变，当废气阀门7打开时进气节气门5的开度变大。因此，废气阀门7在增压压力变得更高之前不会打开，因此，如在常规情况下的增压压力的迟钝或缓慢升高能够被抑制。结果，增压压力能够以迅速的方式升高。
图4是时间图，显示进气节气门开启(上线)、废气阀门的开度(中线)和增压压力(下线)的变化。实线代表如该实施例所述的带有增压器的内燃机，以及虚线代表带有增压器的传统内燃机。
因此，在如该实施例所述的带有增压器的内燃机中，与传统内燃机相比较，在进气节气门打开之后，废气阀门开始打开的时间较晚。因此，增压压力迅速升高。
尽管在该实施例中，通过在加固定的或不变的电压到其上时给电动机9提供固定的或不变的电流，使废气阀门7的关闭力为常量，如果提供用来使废气阀门7的关闭力不变的结构，那么可以不需要在电动机9上的这种控制。例如，可以将在隔板上打开和关闭废气阀门7的压力保持不变。
在这里，尽管考虑到废气阀门是电动的或者电控的，从而废气阀门随着废气的压力打开和关闭，但由于检测废气压力的传感器、检测废气阀门开度的传感器等等的热膨胀，所以精确控制是困难的。这是因为与进气节气门相比较，废气阀门即使在其开度上有轻微的差异，也会对内燃机的输出产生很大的影响。
如在前文中所述的，在该实施例中，通过使关闭废气阀门7的力不变，当废气阀门7打开时，能够使进气节气门5的开度更大，因此增压压力能够迅速升高，因此使得提高驾驶性能是可能的。另外，更少受废气的热量的影响，因此，在增压压力上的控制的精确性能够提高。
(实施例2)
在该实施例中，增压压力通过控制进气节气门5的开度和废气阀门7的开度而控制。硬件和第一个实施例中的硬件相同，因此，省略其解释。
在这里，图5是显示如该实施例所述的加速踏板11压下的量(加速器开启)、进气节气门5开启和废气阀门7的关闭力之间的关系的视图。加速踏板11压下的量、进气节气门5开启和废气阀门7的关闭力之间的关系根据内燃机1的每分钟转数变化。
另外，图6是显示如该实施例所述的加速踏板11压下的量和由内燃机1产生的扭矩之间的关系的视图。
此外，图7是显示如该实施例所述的加速踏板11压下的量和废气阀门7的开度之间的关系的视图。
在这里，注意在图5、6和7中加速踏板11压下的量Z都是相同的值。
在该实施例中，当加速踏板11压下的量相对小(也就是，小于或等于加速踏板11压下的量Z)时，固定电压被加到电动机9以及固定电流被提供给电动机9，从而关闭废气阀门7的力变成在相对小的值不变，直到进气节气门5的开度是完全打开的。这时，固定电压和固定电流被提供给电动机9，从而废气阀门7的开度随着穿过废气阀门7的增大的压力差增加。另外，关闭废气阀门7的力，也就是，提供给电动机9的电压和电流如此设置，从而即使当进气节气门5变成完全打开时，废气阀门7也不是完全打开的。关闭废气阀门7的力预先通过实验等等获得，如内燃机1的每分钟转数和加速踏板11压下的量之间的关系实验，并绘成图以及储存在ECU10中。
在这里，注意即使能够在阀门关闭方向上移动废气阀门7的力作用在废气阀门7上，完全打开时的废气阀门7也不立刻移动。在这一点上，通过设置关闭废气阀门7的力，以便即使当进气节气门5变成完全打开时，也阻止废气阀门7完全打开，提高废气阀门7的响应性能是可能的。
此外，当在进气节气门5完全打开之后，加速踏板11进一步压下(大于加速器11压下的量Z)时，关闭废气阀门7的力随着加速踏板11压下的量增加，直到进气节气门5完全打开。这时，关闭废气阀门7的力如此设置，从而废气阀门7的开度随着增大的加速踏板11压下的量增加。关闭废气阀门7的力预先通过试验等等获得，如内燃机1的每分钟转数和加速踏板11压下的量之间的关系，并绘成图以及储存在ECU10中。
因此，因为当加速踏板11压下的量小于或者等于加速踏板11压下的量Z时，增压压力不需要升高，所以当加速踏板11压下的量增加时，使得废气阀门7的开度增加。结果，当内燃机1的输出相同时，能够使得进气节气门5的开度远远高于在带有增压器的传统内燃机中的值，因此，增压压力能够降低。因此，由于涡轮旋转的机械损失能够降低，以及另外，在涡轮增压器4和中冷器中的热损失以及由于废气压力升高的泵损失能够降低。另外，与废气阀门7的开度以反馈的方式控制的情况相比较，能够更平稳地实现内燃机的输出控制。
另一方面，当加速踏板11压下的量大于加速踏板11压下的量Z时，进气节气门5完全打开，因此泵损失小。通过改变废气阀门7的关闭力，废气阀门7的开度改变，以及增压压力相应被调节，因此其变得更少受废气的热量的影响。因此，能够精确地控制增压压力，此外能够提高驾驶性能。

Claims (9)

1.一种带有增压器的内燃机，该内燃机包括连通通道，该连通通道连接在增压器废气涡轮的上游和下游的排气道的那些部分之间，以及废气阀门，该废气阀门布置在所述连通通道中，以便从所述连通通道的上游侧向其下游侧打开，
其特征在于，包括驱动装置，该驱动装置将从所述连通通道的下游侧指向上游侧的固定力作用到所述废气阀门上。
2.如权利要求1所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，进一步包括进气节气门，该进气节气门布置在内燃机的进气道中，用于按照加速器开启程度调节进气的流速，
其中，当加速器开启小于或等于在该加速器开启程度下所述进气节气门的开度变成预定开度的加速器开启程度时，从所述连通通道的下游侧指向上游侧的固定力作用到所述废气阀门，而当加速器开启大于在该加速器开启程度下所述进气节气门的开度变成预定开度的加速器开启程度时，在从所述连通通道的下游侧到上游侧的方向上作用到所述废气阀门上的力按照增加的加速器开启程度增加。
3.如权利要求2所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，所述驱动装置按照发动机每分钟转数改变作用到所述废气阀门的力。
4.如权利要求2到3中的任一个所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，从所述驱动装置作用到所述废气阀门的固定力能够如此决定，从而所述废气阀门不完全打开，直到所述进气节气门已经完全打开。
5.如权利要求1到3中的任一个所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，从所述驱动装置作用到所述废气阀门的力能够决定为一个值，使用该值，在内燃机的全负荷下的增压压力不超过允许值。
6.一种带有增压器的内燃机，该内燃机包括：
连通通道，该连通通道连接在增压器废气涡轮的上游和下游的排气道的那些部分之间；
废气阀门，该废气阀门布置在所述连通通道中，以便从所述连通通道的上游侧向其下游侧打开；以及
进气节气门，该进气节气门布置在内燃机的进气道中，用于按照加速器开启程度调节进气的流速，
其特征在于，进一步包括驱动装置，该驱动装置将从所述连通通道的下游侧指向上游侧的力作用到所述废气阀门上，
其中，当加速器开启大于在该加速器开启程度下所述进气节气门的开度变成预定开度的加速器开启程度时，所述驱动装置按照增加的加速器开启程度增加作用到所述废气阀门上的力。
7.如权利要求6所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，所述驱动装置按照发动机每分钟转数改变作用到所述废气阀门的力。
8.如权利要求6到7中的任一个所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，从所述驱动装置作用到所述废气阀门的固定力能够如此决定，从而所述废气阀门不完全打开，直到所述进气节气门已经完全打开。
9.如权利要求6到7的任一个所述的带有增压器的内燃机，其特征在于，从所述驱动装置作用到所述废气阀门的力能够决定为一个值，使用该值，在内燃机的全负荷下的增压压力不超过允许值。
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