CN101220776B - 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系统的四冲程循环发动机，该发动机配备有颗粒过滤器、外部EGR系统和排气阀半升程类型的内部EGR系统。借助该发动机，通过使得可以补偿由于当执行DPF的恢复操作时DPF压差减少导致的EGR量的减小，以使得发动机在发动机的所有操作范围内在适当的EGR率上操作的方式，可以实现由EGR导致的NOx排放的减少，且没有导致发动机使用寿命变化减少。

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(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5描述排气阀半升程类型的内部EGR系统。在图5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。在关闭主排气阀升程Ex之后，开始排气阀半升程。通过在吸气冲程中提升排气阀小的升程Hs，在排气通道6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内部EGR系统，例如，日本公开待审的专利申请NO.2006-226205(专利文献1)、NO.7-133726(专利文献2)、NO.10-252512(专利文献3)和NO.2000-204984(专利文献4)。专利文献1披露的发动机设置有PDF、内部EGR系统和外部EGR系统，所述外部EGR系统包括用于将排气管道内的一部分废气引入到进气通道的EGR导管以及用于控制EGR导管的开度的EGR阀，并且内部EGR和外部EGR被控制，以便当发动机操作条件从DPF恢复操作返回到低负荷操作时稳定燃烧和防止发动机出现旋转波动。
专利文献2披露了一种进气控制系统，其中进气控制阀设置在进气通道内。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。
根据专利文献3中披露的在先技术，当发动机负荷降低时，进气阀和排气阀的阀重叠时间段增加以增加EGR量(amounts)。通过这样，当发动机在低负荷操作时，EGR产生的进气的加热效应增加，自动点火提高，且稳定燃烧的范围扩宽。
根据在专利文献4中披露的技术，设置了可变阀定时机构和排气节流阀，且当需要大量内部EGR时，进气阀打开定时和排气阀打开定时通过可变阀定时机构被一起提前，此外排气节流阀的开度量降低以便允许较大部分的废气引入到发动机气缸内。
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5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。通过增加的内部EGR，燃烧温度和排气温度增加，并且增加了对引起上述问题的担心。
为解决这些问题，可以设想的是通过调节排气阀半升程量Es进行控制，从而达到适合DPF压差的内部EGR率，且内部EGR率是根据例如发动机负荷和发动机旋转速度的发动机操作条件确定的基准内部EGR率。
然而，即使当EGR率被如上所述地控制时，当通过DPF的恢复操作(沉积在DPF内的颗粒物质的燃烧操作)而DPF压差降低时，由于降低的DPF压差，内部EGR率变得低于所述基准内部EGR率。在此情况下，出现下面的问题：需要补偿内部EGR率的降低。
根据专利文献1的在先技术，设置了DPF、内部EGR系统、和外部EGR系统。在该文献中披露了：当发动机操作条件从DPF恢复操作返回到低负荷操作时，控制内部EGR和外部EGR的比例以稳定燃烧和防止出现发动机的旋转波动，但是没有披露解决上述问题的装置。
根据专利文献2的在先技术，进气控制阀设置在进气通道内，且内部EGR率通过控制在进气通道内在进气控制阀与进气阀之间的负压得到控制，但是没有披露解决上述问题的装置。
专利文献3披露了一种压缩点火内燃机，其中以当发动机负荷降低时增加进气阀和排气阀的阀重叠时间段的方式，通过增加EGR量，加强由EGR产生的进气的加热效应，但是，没有披露解决上述问题的装置。
根据专利文献4中披露的在先技术，当需要大量内部EGR时，进气阀和排气阀打开定时被一起提前，且排气节流阀开度量降低，以便允许更大部分的废气引入到发动机气缸内，但是没有披露解决上述问题的装置。
发明内容
根据上述问题做出本发明。本发明特别涉及一种四冲程循环发动机，该发动机设置有颗粒过滤器、外部EGR系统和内部EGR系统，所述外部EGR系统包括EGR导管和EGR阀，且本发明的目的是使得可以补偿由于颗粒过滤器中的压差降低导致的EGR量的减少，所述压差当执行颗粒过滤器的恢复操作时出现。
根据本发明，通过使得发动机在发动机的全部操作范围内能够以适当的EGR率操作，由EGR导致的NOx排放的减少可以实现，且没有引起发动机使用寿命的降低。
一种具有EGR系统的发动机，所述发动机配备有颗粒过滤器，用于将流过排气通道的一部分废气引入到发动机的进气通道的EGR(废气再循环)导管，和用于控制EGR导管的阀开度的EGR阀；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进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(废气再循环)，其中设置有：用于探测颗粒过滤器内的排气压差的装置；和EGR控制器，其中建立了与内部EGR的EGR率的基准值匹配的颗粒过滤器中的压差的基准值，当所述颗粒过滤器压差的探测值低于所述颗粒过滤器压差的基准值时，基于探测的颗粒过滤器压差与颗粒过滤器的压差基准值之间的压差偏离计算待校正的EGR量，并与所述待校正的EGR量相匹配地进行增加所述EGR阀的开度的控制。
发动机设置有：用于探测颗粒过滤器中的排气压差的装置；和控制器，其中建立了颗粒过滤器中的压差的基准值，且基于在探测的压差与在颗粒过滤器中的压差的基准值之间的压差偏移计算待校正的EGR量，并且所述控制器根据计算的待校正的EGR量控制EGR阀的阀开度。
在本发明中，优选的是
(1)EGR控制器控制EGR阀的阀开度增加与计算的待校正的EGR量匹配的量；和
(2)根据待校正的EGR量，EGR控制器控制EGR阀的阀开度以及用于控制空气供给的流量的节流阀的阀开度。
适当的组成是，低温EGR导管和高温EGR导管在排气通道和进气通道之间彼此平行地设置，用于冷却流过低温EGR导管的废气的EGR冷却器、和低温EGR阀设置到低温EGR导管上，且高温EGR导管设置到高温EGR导管上，藉此高温EGR阀的阀开度被EGR控制器控制。
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是如图1中所示的第二实施例的示意图；
图3是第二实施例的控制框图；
图4是显示DPF压差与内部EGR率之间的关系的图表；和
图5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。
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。
参照图1，附图标记100是四冲程循环发动机，1a是所述发动机100的气缸1内的燃烧室，2是活塞，3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25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。由涡轮增压器10的压缩机10b压缩的充入气缸的空气(charge air)被空气冷却器25冷却，由节流阀21进行流量调节，并且在进气冲程中当进气阀5打开时通过进气管道31、进气总管12和进气通道4充入到燃烧室1a内。
燃烧室1a内的燃烧气体从燃烧室1a通过排气通道6、排气总管11和排气管道30作为废气排出，并进入涡轮10a并驱动它。
用于移除废气中的颗粒物质的颗粒过滤器(DPF)14设置在连接到涡轮10a的排气口的涡轮入口侧排气管道13内。
来自涡轮10a的废气流过出口侧排气管道13并进入DPF 14，在那里颗粒物质被移除，然后废气通过废气去污装置清洁后排入大气。
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3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。
本发明涉及一种如上所述组成的四冲程循环发动机的内部EGR系统的改进。
第一实施例
参照图1，图1显示了本发明的第一实施例，发动机100的探测的负荷和旋转速度从负荷探测器19和旋转速度探测器18输入到EGR控制器20中。
此外，压力传感器15和压力传感器16位于DPF 14的排气进口和排气出口。将由压力传感器15和16探测的排气压力输入到EGR控制器。
必要时，可以设置用于探测来自发动机100的排气的温度的排气温度传感器17。排气温度传感器17探测在排气总管11内的废气的温度，并且该探测的温度被输入到EGR控制器。
在图1中，附图标记24表示低温EGR导管，所述低温EGR导管从涡轮入口侧排气管道30分支并连接到在节流阀21的下游部分处的进气管道31。
附图标记23表示EGR冷却器，所述EGR冷却器用于冷却在低温EGR导管24内流动的废气。附图标记22表示低温EGR阀，所述低温EGR阀用于调整低温EGR导管24的通流面积。
EGR控制器20控制低温EGR阀的开度量以控制外部EGR的流量和控制节流阀21的开度量以控制空气供给的流量。
第二实施例
图2是配备有本发明的第二实施例的内部EGR系统的四冲程循环发动机的整个结构的示意图。
在第二实施例中，低温EGR导管24和高温EGR导管33彼此平行地设置在排气管道30与进气管道31之间。
如第一实施例中的，在低温EGR导管24中设置了EGR冷却器23，EGR冷却器23用于冷却再循环用的废气；和低温EGR阀22，用于调节低温EGR导管24的通流面积。在高温EGR导管33中没有设置任何冷却用于再循环的废气的冷却器。高温EGR阀32设置成调节高温EGR导管33的通流面积。高温EGR阀32的开度量由EGR控制器22控制。
下面将参照图3中的控制框图解释本发明的第一和第二实施例的EGR控制操作。
在图3中，由负荷探测器19和旋转速度探测器18探测的发动机负荷和旋转速度输入到在EGR控制器20内的基准压差/基准内部EGR率设定装置222中。由DPF进气压力探测器15和DPF排气压力探测器16探测的进气压力和排气压力输入到DPF压差计算装置221中。在DPF压差计算装置221中，DPF压差(DPF进气压力-DPF排气压力)被计算。计算得到的DPF压差输入到压差偏离计算装置223。
在基准压差/基准内部EGR率设定装置222中建立与基于发动机旋转速度和负荷的发动机排气压力匹配的DPF压差的基准值。
在图4中显示了内部EGR率(基准内部EGR率)与DPF压差之间的关系。在基准压差/基准内部EGR率设定装置222中建立图4中显示的关系。
如图4中所示，内部EGR率(基准内部EGR率)随DPF压差增加而成比例地增加。图4中的线A显示了与基于发动机旋转速度和负荷的DPF压差匹配的内部EGR率(基准内部EGR率)的基准值。
在压差偏离计算装置223中，基于发动机旋转速度和负荷的DPF压差的基准值从在基准压差/基准内部EGR率设定装置222中建立的DPF基准压差选择。然后，压差偏离计算装置223计算DPF压差偏离(其是DPF压差的基准值与计算的(探测的)DPF压差值之间的差)，且所述偏离被输入到待校正的EGR量计算装置224内。在待校正的EGR量计算装置224中，基于DPF压差与内部EGR率之间的关系(所述关系在图4中示出，并在基准压差/基准内部EGR率设定装置222中建立)计算与DPF压差偏离匹配的待校正的EGR量。计算的待校正的EGR量输入到EGR阀开度计算装置26和节流阀开度计算装置27。
在EGR阀开度计算装置26中，计算低温EGR阀22的开度将增加的量(在第一实施例中的情况下)，或高温EGR阀32的开度将增加的量(在第二实施例中的情况下)。低温EGR阀22(在第一实施例的情况下)的开度量或高温EGR阀32(在第二实施例的情况下)的开度量增加计算的阀开度将增加的量。此外，根据低温EGR阀22(在第一实施例的情况下)的开度量或高温EGR阀32(在第二实施例的情况下)的增加的开度量，控制节流阀21的将增加的开度量。
通过如上所述的控制，发动机100将在EGR率适合其操作条件的情况下操作。
根据第一和第二实施例，与内部EGR基准率匹配的DPF基准压差在EGR控制器20中设定，待校正的EGR量基于在探测的DPF压差与DPF基准压差之间的压差偏离在EGR控制器20中计算出来，且外部EGR的EGR阀的开度量(在第一实施例的情况下为低温EGR阀22的开度，在第二实施例的情况下为高温EGR阀32的开度)被控制以便控制外部EGR率。此外，当DPF压差降低时，EGR阀22的阀开度(在第一实施例的情况下)或EGR阀32的阀开度(在第二实施例的情况下)增加与计算的待校正的EGR量匹配的量，且节流阀21的阀开度基于待校正的EGR量与EGR阀22和32相关联地受到控制。当探测的DPF压差通过恢复DPF 14的操作而变得低于DPF基准压差时，基于在探测的DPF压差与DPF基准压差之间的压差偏离计算待校正的EGR量，且EGR阀22和32的开度量增加与计算的待校正的EGR量匹配的量，或者EGR阀22或32的开度量增加且同时节流阀21的开度量增加与计算的待校正的EGR量匹配的量。如此，即使当DPF 14内的压差已经改变时，在不引起发动机的使用年限减少且维持由EGR导致的NOx降低的效应的情况下，内部EGR率和外部EGR率的和的总EGR率可以根据发动机100的操作条件维持在EGR的目标率上。
根据本发明的第二实施例，通过在没有冷却再循环废气的情况下控制高温EGR阀32的EGR量，可以执行对由于DPF压差降低而引起的内部EGR率的降低的EGR率补偿。因此，与其中被冷却的再循环废气通过低温EGR阀22控制的第一实施例相比，对EGR率的控制可以被增加精确地执行。
根据本发明，在设置有DPF、外部EGR系统和外部阀半升程类型的内部EGR系统的四冲程循环发动机中，由因为DPF的恢复操作等引起的DPF压差的降低导致的EGR率降低可以被补偿。此外，根据本发明，在适当EGR率情况下的发动机操作在发动机的整个操作范围内是可以的。因此，可以提供具有EGR系统的发动机，该发动机通过EGR实现了NOx减少的性能，且没有使得发动机的使用寿命减小。

Claims (3)

1.一种具有EGR系统的发动机，所述发动机配备有颗粒过滤器，用于将流过排气通道的一部分废气引入到发动机的进气通道的EGR(废气再循环)导管，和用于控制EGR导管的阀开度的EGR阀；
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进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(废气再循环)，其中设置有：
用于探测颗粒过滤器内的排气压差的装置；和
EGR控制器，其中建立了与内部EGR的EGR率的基准值匹配的颗粒过滤器中的压差的基准值，当所述颗粒过滤器压差的探测值低于所述颗粒过滤器压差的基准值时，基于探测的颗粒过滤器压差与颗粒过滤器的压差基准值之间的压差偏离计算待校正的EGR量，并与所述待校正的EGR量相匹配地进行增加所述EGR阀的开度的控制。
2.根据权利要求1所述的具有EGR系统的发动机，其中所述EGR控制器根据所述待校正的EGR量控制EGR阀的阀开度和节流阀的阀开度。
3.根据权利要求1所述的具有EGR系统的发动机，其中在排气通道与进气通道之间彼此平行地设置低温EGR导管和高温EGR导管，用于冷却流过低温EGR导管的废气的EGR冷却器和低温EGR阀设置到低温EGR导管上，且高温EGR阀设置到高温EGR导管上，藉此高温EGR阀的阀开度被EGR控制器控制。
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