CN101210512B - 具有内部egr系统的发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有内部EGR的发动机，该发动机配备有变几何涡轮增压器和颗粒过滤器，其中，根据由于在颗粒过滤器中的颗粒物质的沉积作用导致的内部EGR率的变化，可以利用简单的装置并准确地控制变几何涡轮增压器的喷嘴角(喷嘴面积)。并且在发动机的整个操作范围内可以获得降低NOx排放的EGR效应，而没有减少发动机的使用寿命。

Description

具有内部EGR系统的发动机 
技术领域
本发明主要涉及四冲程循环柴油机，特别地，本发明涉及配备有DPF(柴油机颗粒过滤器)、变几何涡轮增压器、以及内部EGR(废气再循环)系统的发动机，所述内部EGR系统构成为通过允许排气阀在吸气冲程中稍微提升而使得废气的一部分在发动机的气缸中与充入气缸的空气(charged air)汇合在一起。 
背景技术
存在采用内部EGR系统的四冲程循环柴油机和四冲程循环燃气发动机，在所述内部EGR系统中，通过允许排气阀在吸气冲程中进行小的升程而使得一部分废气在发动机的气缸内与充入气缸的空气汇合在一起。这被称为排气阀半升程类型的内部EGR系统。 
下面参照图6描述排气阀半升程类型的内部EGR系统。在图6中，排气阀7的阀升程曲线和进气阀5的阀升程曲线与曲柄角的关系由Es和In分别表示。在排气冲程中的排气阀升程Ex在此被称为主排气阀升程。所述排气阀7在吸气冲程中再次提升小的升程Hs，如由排气阀7的半升程Es所示。通过在吸气冲程中提升排气阀小的升程Hs，在排气通道中的一部分废气回流到气缸内。由此，内部EGR被执行并且减少NOx生成。 
在此披露了几种类型的内燃机的EGR系统。例如，日本公开待审的专利申请NO.7-133726(专利文献1)披露了一种内燃机的进气控制系统。根据所述系统，进气控制阀设置在进气通道中。就在吸气冲程结束之前将进气控制阀和进气阀顺序关闭，从而在进气通道内形成负压。就在排气冲程结束前在进气控制阀打开之前打开所述进气阀时，在活塞的向上运动的辅助下，气缸内的燃烧气体流入到保持负压的进气通道内。流入到进气通道内的燃烧气体作为EGR气体与吸气冲程中的进气一起流进气缸内。以此方式，执行内部EGR。根据例如发动机负荷和转速的发动机操作状态，通过控制进气控制阀或其它装置来控制进气通道内的负 压，可以控制EGR气体的流量。 
日本公开待审的专利申请NO.2005-48743(专利文献2)披露了配备有例如催化转化器和柴油颗粒过滤器(DPF)的废气后处理装置的涡轮增压发动机的一种控制系统。在此系统中，具有用于计算在DPF中由于颗粒物质的沉积作用而减少的DPF的等效流动面积的装置和用于根据DPF的等效流动面积的减小控制变几何涡轮增压器的喷嘴角的装置。当由于在DPF内的颗粒物质的沉积作用而导致排气背压增加时，所述喷嘴角增加，也就是说，喷嘴叶片的尖端之间的面积增加从而排气背压降低并且抑制了EGR率的增加。 
在配备有排气阀半升程类型的内部EGR系统的发动机中，所述排气阀在吸气冲程中再次提升由图6中所示的小升程(Hs)，从而排气通道内的一部分废气回流进入气缸内以便与充入气缸的空气混合。当由于颗粒物质的沉积作用位于涡轮增压器的下游的DPF内的流阻增加时，排气背压增加并且流入到发动机的进气减少，结果发生过多的废气再循环，由此增强了主要由碳粒子组成的颗粒物质的产生和增强了在DPF内的颗粒物质的沉积。此外，当所述内部EGR率过大时，燃烧温度增加，并且由于燃烧温度的增加通过EGR减少NOx生成物的效应降低。 
特别地，在设置有颗粒过滤器的发动机的情况下，当在颗粒过滤器内的颗粒物质的沉积增加时，由于在所述颗粒过滤器中流阻增加导致排气背压增加。所述排气背压增加引起空气供给降低，这引起内部EGR率的增加。 
在专利文献1所披露的系统中，通过控制在进气控制阀与进气阀之间的进气通道内的负压，控制内部EGR量(EGR mounts)。然而，该专利文献1没有披露一种能够处理由于增加的EGR率引起的燃烧温度的增加导致的问题的装置。 
在专利文献2所披露的系统中，将所述系统应用到配备有变几何涡轮增压器的发动机，并且根据在DPF中由于颗粒物质的沉积而导致的等效流动面积的减少增加涡轮的喷嘴角以便增加喷嘴面积。然而，所述系统非常复杂并且不容易对喷嘴角进行高精确度控制，并且在专利文献2中也没有披露一种能够处理由于增加的EGR率引起的燃烧温度的增加导致的问题的装置。 
发明内容
根据上述问题做出本发明，并且本发明的目的是提供一种配备有变几何涡轮 增压器和颗粒过滤器的发动机，且可以准确地并且以简单的装置来根据由于在颗粒过滤器中的颗粒物质的沉积作用而致的内部EGR率的变化控制变几何涡轮增压器的喷嘴角(喷嘴面积)。本发明的另一个目的是提供一种具有内部EGR系统的发动机，利用所述内部EGR系统，在没有减少发动机的使用寿命的情况下，可以实现利用EGR减少NOx排放的效应。 
具有内部EGR系统的发动机设置有用于将废气中的颗粒物质移除的DPF和变几何涡轮增压器，所述变几何涡轮增压器通过涡轮增压器的涡轮以改变涡轮的喷嘴角的方式能够改变排气流量。在所述发动机中，采用排气阀半升程类型的内部EGR方法，其中排气阀在进气冲程中提升的小的升程，并且设置了用于检测DPF废气进口与废气出口之间的压差(DPF压差)的装置，并且基于由DPF压差探测装置所探测的DPF压差值，计算变几何涡轮增压器的适当的VG喷嘴角，从而所述DPF压差变成与容许的内部EGR率匹配(commensurate with)的DPF基准压差(也就是，以致在VG喷嘴角的情况下，在涡轮的进口处的排气压力变成一种压力，在此压力下，在DPF中的压差变成基准压差)。所述发动机设置有内部EGR控制器，用于控制控制涡轮的喷嘴角的致动器从而将喷嘴角调整成计算所得的适合的喷嘴角。 
更加具体地，在内部EGR控制器中建立了：容许的EGR率与在DPF中的容许压差(最大容许DPF压差)之间的关系，所述容许的EGR率就是在该EGR率的情况下，在排气温度的容许极限或更低的条件下，可以获得预定降低的NOx排放的EGR率，所述在DPF中的容许压差与容许的EGR率匹配；以及DPF压差与VG喷嘴角之间的关系，在所述VG喷嘴角的情况下，在涡轮进口处的废气压力变成一种压力，即在该压力下，DPF压差变成所述的DPF压差。 
所述内部EGR控制器计算适合的VG喷嘴角，在该VG喷嘴角的情况下，通过将探测的DPF压差与DPF基准压差相比较将DPF压差变成DPF基准压差，并且控制致动器以便将VG喷嘴角调整成计算的适合的VG喷嘴角。 
此外，在本发明中，提供了一台用于给发动机供给压缩空气的变容量压缩机，并且，内部EGR控制器控制变容量压缩机从而当VG喷嘴角大于根据发动机操作条件所设定的VG喷嘴角时，通过变容量压缩机增加送气压力。 
优选地将所述变容量压缩机与变几何涡轮增压器的压缩机串连以便组成两个阶段的增压系统，在此情况下，由可变压缩机加压的空气进一步被涡轮增压器 的压缩机压缩。 
附图说明
图1是配备有本发明的第一实施例的内部EGR系统的四冲程循环柴油机的整个结构的示意图； 
图2是第一实施例的内部EGR系统的控制框图； 
图3是显示在所述DPF(柴油颗粒过滤器)内的基准压差与内部EGR率之间的关系的图表； 
图4是显示在DPF内的压差与VG(变几何)喷嘴角之间的关系的图表； 
图5是配备有本发明的第二实施例的内部EGR系统的四冲程循环柴油机的整个结构的示意图； 
图6是显示配备有排气阀半升程类型的内部EGR系统的四冲程循环柴油机的排气阀升程和进气阀升程与曲柄角的关系的图表； 
图7是变几何(VG)涡轮增压器的实质部分的截面；和 
图8是图7中X-X箭头方向上的视图。 
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。然而，要注意的是，除非特别说明，实施例中的组成部分的尺寸、材料、相对位置等应该仅被解释为说明性的，而不是对本发明的保护范围的限制。 
图1是配备有本发明的第一实施例的内部EGR系统的四冲程循环柴油机的整个结构的示意图。 
在图1中，附图标记100是发动机(四冲程循环柴油机)，1是所述发动机的气缸100内的燃烧室，2是活塞，39是曲轴。附图标记4和6分别是在发动机的气缸盖内的进气通道和排气通道。附图标记5和7分别是进气阀和排气阀。附图标记11和12分别是排气总管(manifold)和进气总管。附图标记10是由排气涡轮10a和空气压缩机10b组成的涡轮增压器。附图标记8是用于冷却来自压缩机11b的压缩空气的空气冷却器。 
所述涡轮增压器10是配备有用于改变喷嘴角的喷嘴叶片移动机构的变几何(VG)涡轮增压器。由从排气总管11中流出并进入涡轮10a的废气驱动涡轮 10a并且连接到涡轮10a的压缩机10b由涡轮10a驱动以便给进气总管12提供压缩空气。 
附图标记3是通过致动用于改变喷嘴角以便改变在涡轮10b内的喷嘴叶片的喷嘴面积的机构从而控制喷嘴角的致动器。 
在图7和图8中显示了变几何涡轮增压器。 
图7是变几何(VG)涡轮增压器的实质部分的截面。在图7中，附图标记600是VG排气涡轮，18是涡轮叶轮，19是涡轮外壳，41是喷嘴叶片，所述喷嘴叶片为多个喷嘴叶片，所述多个喷嘴叶片的尖端之间的面积能够通过致动喷嘴叶片移动机构改变。附图标记42是在进入所述涡轮叶轮18的排气的入口处的环形间隙，附图标记43是废气出口，46是喷嘴叶片移动机构，和44是每个喷嘴叶片的喷嘴轴，该喷嘴轴用于将每个喷嘴叶片连接到所述喷嘴叶片移动机构46上。附图标记g表示发动机的废气。图8是图7中X-X箭头方向上的视图。 
回到图1，连接到涡轮10a的废气出口的排气管13设置有DPF(柴油颗粒过滤器)14，用于移除容纳在废气中的颗粒物质(主要由碳粒子组成)。 
由VG涡轮增压器10的压缩机10b提供的空气在空气冷却器8中被冷却并且通过进气总管12被引入到每个气缸的进气通道4中以便当进气阀5打开时被引入每个气缸的燃烧室内。 
在注入到燃烧室1的燃料被燃烧之后的废气从燃烧室1流出并且通过排气通道和排气总管11被引入涡轮10a中以便驱动涡轮增压器10。从涡轮增压器10中流出的废气进入DPF14中，在所述DPF14中废气中的颗粒物质被移除，然后废气由设置有催化物质的废气净化装置净化并且被排入到大气中。 
由进气凸轮和排气凸轮驱动进气阀5和排气阀7以便通过由曲轴39驱动的凸轮的旋转来分别打开和关闭进气通道4和排气通道6。在所述排气阀半升程类型的内部EGR系统中，排气阀7在图6中所示的进气冲程中再次提升小的升程以便将在排气通道内的一部分废气引入到燃烧室内从而允许废气与在气缸内增压的空气混合。这种内部EGR方法的类型在本发明中被称作排气阀半升程类型EGR。 
本发明涉及一种在配备有如上所述的变几何排气涡轮增压器10的四冲程循环柴油机中的排气阀半升程类型的内部EGR系统的改进。 
参照图1，由附图标记20表示内部EGR控制器。将由负荷探测传感器19 探测的发动机载荷、由旋转探测传感器18探测发动机旋转速度输入到此内部EGR控制器20中。 
此外，DPF进口压力传感器15和DPF出口压力传感器16分别设置在DPF14的排气进口和排气出口。将DPF进口压力传感器15和DPF出口压力传感器16探测的压力输入到控制器20。 
然后，将参照图2-4解释内部EGR系统的控制操作。 
将分别由DPF进口压力传感器15和DPF出口压力传感器16探测的DPF进口压力p1和DPF出口压力p2输入到控制器20的DPF压差计算部分21。所述DPF计算部分计算了DPF进口压力p1和DPF出口压力p2之间的压差(p1-p2)，并且将计算的压差值输出到VG喷嘴角调整量计算部分25内。 
将从负荷探测传感器19发送的探测所得的发动机载荷和从旋转探测传感器18发送的探测所得的发动机旋转速度输入到VG喷嘴角设定部分23。所述VG喷嘴角设定部分23根据由探测的发动机载荷和旋转速度所代表的发动机操作条件计算VG喷嘴角，并且将计算所得的VG喷嘴角输出到VG喷嘴角计算部分26。 
如图3中所示，在DPF基准压差/EGR率设定部分22中建立了容许的EGR率与在DPF中的容许压差(最大容许DPF压差)之间的关系，所述容许的EGR率就是在该EGR率的情况下，在排气温度的容许极限或更低的条件下，可以获得预定降低的NOx排放的EGR率，所述在DPF中的容许压差与容许的EGR率匹配。 
在DPF基准压差/VG喷嘴角设定部分24中建立了DPF压差与VG喷嘴角之间的关系，在所述VG喷嘴角的情况下，在涡轮进口处的废气压力变成一种压力，即在该压力下，DPF压差变成所述的DPF压差。 
在VG喷嘴角调整量计算部分25中，由DPF压差计算部分21输入的DPF压差与基准压差相比较并且计算DPF压差与基准压差的偏差。此外，在DPF压差/VG喷嘴角设定部分24中建立的关系的情况下，反复核查(cross check)DPF压差的偏差，并且根据DPF压差的偏差计算有待调整的VG喷嘴角，然后将计算的有待调整的VG喷嘴角输入到VG喷嘴角计算部分26中。 
通过在VG喷嘴角调整量计算部分25中获得的VG喷嘴角，根据发动机操作状态，VG喷嘴角计算部分26校正在VG喷嘴角设定部分23中计算的VG喷 嘴角，并且将已经校正的VG喷嘴角输出到用于控制VG喷嘴角的致动器3。所述致动器3通过驱动喷嘴叶片移动机构将VG喷嘴角设定到该调整的VG喷嘴角。 
根据如上所述的第一实施例，设置了一种用于计算废气进入DPF 14的进口与废气排出DPF 14的出口之间的压差(p1-p2)的DPF压差探测装置，根据由DPF压差探测装置探测的DPF压差值，计算变几何涡轮增压器的适当的VG喷嘴角，从而所述DPF压差变成与容许的内部EGR率匹配的DPF基准压差(也就是，以致在VG喷嘴角的情况下，在涡轮的进口处的排气压力变成一种压力，在此压力下，在DPF中的压差变成基准压差)，然后控制用于控制VG喷嘴角的致动器3以便旋转喷嘴叶片从而将VG喷嘴角调整到适当的VG喷嘴角。在内部控制器20中建立了容许的内部EGR率与DPF基准压差的关系以及VG喷嘴角与DPF压差的关系，在此情况下，在涡轮进口处的排气压力变成获得所述DPF压差的压力，然后通过内部EGR控制器20控制用于控制喷嘴角的致动器3从而将所述VG喷嘴角调整到适当的VG喷嘴角，在该适当的VG喷嘴角的情况下，所述DPF压差与DPF基准压差一致。因此，通过计算适当的VG喷嘴角从而探测到的DPF压差变成一种DPF基准压差并且增加了VG喷嘴角，也就是，根据由于在DPF14中颗粒物质的沉积作用导致增加DPF 14中的DPF压差，增加了喷嘴叶片的尖端之间的面积，从而可以避免过度内部EGR的发生。 
因此，根据第一实施例，当探测到DPF压差并且基于探测所得的DPF压差控制变几何涡轮增压器10的VG喷嘴角时，可以控制VG喷嘴角，从而与在先技术相比，发动机的内部EGR率处于高精度规定的范围内。 
[第二实施例] 
图5是配备有本发明的第二实施例的内部EGR系统的四冲程循环柴油机的整个结构的示意图； 
在第二实施例中，在图1-4所示的第一实施例中进一步增加了由电动机32驱动并且能够改变其排放压力的变容量压缩机31并且将其与变几何涡轮增压器10的压缩机10b串连。因此，由两个阶段的增压系统组成第二实施例的充气装置，在所述增压系统中，由电动机驱动的压缩机31加压的空气进一步被涡轮增压器10的压缩机10b压缩。 
当VG喷嘴角大于根据包括由负荷探测传感器19探测的发动机载荷和由旋 转探测传感器18探测的发动机旋转速度的发动机操作状态设定的喷嘴角时，内部EGR控制器20控制变容量压缩机31从而操作以便增加送气压力。 
第二实施例的其它结构与第一实施例的其它结构相同，并且相同的部分由与在第一实施例中相同的附图标记指示。 
根据第二实施例，通过提供由电动机32驱动的变容量和变排气压力的压缩机31，可以进一步增加送气压力。并且当VG喷嘴角大于根据发动机操作条件所设定的VG喷嘴角时，通过内部EGR控制器20，通过控制由压缩机31驱动的电动机送气压力增加。此外，将电动机驱动的压缩机31与变几何涡轮增压器10的压缩机10b串连以便构成两个阶段的增压系统从而由电动机驱动的压缩机31增压的空气进一步被变几何涡轮增压器10的压缩机10b压缩。在此组合的情况下，通过以供给由电动机驱动的压缩机31压缩空气的方式，补偿由增加的VG喷嘴角(即在喷嘴叶片的尖端之间增加的面积)导致的减少的送气压力，可以避免由DPF 14中的颗粒物质的沉积作用而导致的过度内部EGR的发生。 
以此方法，不需要降低发动机的送气压力，就可以避免过度EGR的发生。 
根据本发明的发动机由用于探测DPF的进口处与出口处的废气压力之间压差的压差探测装置和内部EGR控制器组成，所述内部EGR控制器用于控制控制VG喷嘴角的致动器，以便根据发动机操作条件，通过计算适合的VG喷嘴角将VG喷嘴角控制设置成适合的角度，在所述合适的VG喷嘴角的情况下，在涡轮的进口处的废气压力是使得DPF压差与基于DPF压差探测装置所探测的DPF基准压差一致的压力。更具体地，在本发明的发动机中，在控制器中建立了容许的内部EGR率与DPF压差之间的关系和VG喷嘴角与DPF压差之间的关系。将探测到的DPF压差与获得的DPF基准压差相比，并且控制用于控制喷嘴角的致动器从而将喷嘴角设定成适合的喷嘴角，在该适合的喷嘴角的情况下，DPF压差与DPF基准压差一致。为此，将探测的DPF压差与DPF基准压差相比。并且仅仅通过计算适合的VG喷嘴角(在所述适合的VG喷嘴角情况下，DPF压差与指示DPF压差一致)，从而避免了过度的废气循环的发生。 
因此，根据本发明的发动机，通过一种探测在颗粒过滤器中的压差和根据在DPF中所探测的压差而控制变几何涡轮增压器的VG喷嘴角的极其简单的装置，可以避免出现由于排气背压的增加引起的进入到发动机内的空气减少而导致的过度废气循环，所述排气背压的增加是由于DPF 14中的颗粒物质的沉积作用导 致DPF 14中的压差增加。 
此外，根据本发明的发动机，设置一种能够改变排气压力的变容量空气压缩机以便供给压缩空气，并且当VG喷嘴角大于根据发动机的发动机操作条件设定的VG喷嘴角时，由内部VGR控制器控制能够改变排气压力的变容量压缩机以便增加发动机的送气压力。 
优选地将所述变容量压缩机与变几何涡轮增压器串连以便给涡轮增压器的压缩机提供压缩空气。通过设置变容量压缩机，将由变容量压缩机产生的压缩空气供给到涡轮增压器的压缩机中，可以补偿由为了避免过度的废气再循环率的发生而增加的VG喷嘴角(增加的喷嘴面积)引起的发动机的气缸的送气压力的减少。 
由此，不需要降低发动机的送气压力，就可以避免过度EGR的发生。 
正如至此所描述的，根据配备有内部EGR系统的发动机，根据在颗粒过滤器中的颗粒物质的沉积作用的程度，利用简单的装置，可以准确地执行对变几何涡轮增压器的喷嘴角(喷嘴面积)的控制，从而总是使用适合的EGR率操作发动机。可以避免在颗粒过滤器中的颗粒物质的沉积作用引起的内部废气再循环的过度发生，并且可以避免由排气温度的过度增加引起的发动机内的热负荷的增加和由过度废气再循环引起的降低NOx生成物的效应的降低。 

Claims (3)

1.一种具有EGR系统的发动机，所述发动机配备有变几何涡轮增压器和位于涡轮增压器的下游的颗粒过滤器，所述发动机构造成通过允许一个排气阀或多个排气阀在进气冲程中提升小的升程以允许发动机的气缸内的排气通道中的一部分废气回流到气缸内，而执行排气阀半升程类型的EGR，其中设置有：
用于探测颗粒过滤器内的排气压差的装置；
内部EGR控制器，所述内部EGR控制器中建立在排气温度的容许极限或更低的条件下能够获得预定降低的NOx排放的容许的EGR率与基准压差的关系、以及建立喷嘴角与在颗粒过滤器中的压差的关系，且通过将探测得到的压差与基准压差相比较计算能够获得容许的内部EGR率的喷嘴角；和
用于控制喷嘴角的致动器，其中，所述内部EGR控制器控制所述致动器从而将喷嘴角设定成计算的喷嘴角。
2.根据权利要求1所述的具有EGR系统的发动机，其中还包括变容量压缩机，所述变容量压缩机能够改变排气压力以便将压缩空气供给到发动机，并且当喷嘴角大于根据发动机操作条件所设定的角时，内部EGR控制器控制该变容量压缩机从而通过变容量压缩机增加进入到发动机的送气压力。
3.根据权利要求1所述的具有EGR系统的发动机，其中还包括变容量压缩机，所述所述变容量压缩机与变几何涡轮增压器的压缩机串连，以便由变容量压缩机增压的空气被变几何涡轮增压器的压缩机进一步压缩。
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