CN101251039A - 预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置 - Google Patents

预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置，EGR通路令排气的一部分作为EGR气体而向燃烧室回流。热交换器进行EGR气体的冷却。加热用吸气通路在吸气通路中从形成在比EGR通路的下游端还靠上游侧的分支部分支，并且下游端与EGR通路的热交换器的上游侧连通。切换阀调整通过吸气通路以及加热用吸气通路的吸气量。ECU如下地切换切换阀：在EGR阀关闭时令吸气通过吸气通路以及加热用吸气通路的某一个，在EGR阀打开时令吸气仅通过吸气通路。

Description

预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置
技术领域
本发明涉及令排气作为EGR气体向燃烧室回流的预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置。
背景技术
近年，在内燃机的领域内，关注能够得到良好的油耗性以及热效率的预混合压缩着火内燃机而进行各种各样的研究。大多的预混合压缩着火内燃机构成为，在吸气通路内混合燃料和空气，并将生成的混合气供给到燃烧室。并且，被封入到燃烧室内的混合气在压缩行程时，随着由活塞上升导致的高温高压化而自燃。在这样的预混合压缩着火内燃机中，作为用于实用化的课题之一，公知有可稳定控制预混合压缩着火燃烧(HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition)的运转区域还很狭小的问题。因此，为了避免这个问题，首先，对于常用的运转区域比较狭小的定置型发动机，例如GHP(燃气热力泵)用燃气发动机等，进行使预混合压缩着火内燃机实用化的工作。此外，还提出了如下切换适宜的运转的方案：在实际的运转中较多使用的低中转速以及低中负荷区域附近进行预混合压缩着火燃烧，在高转速区域以及极低负荷以及高负荷区域中进行火花点火燃烧(SI，Spark Ignition)。
在预混合压缩着火内燃机中，可稳定控制预混合压缩着火燃烧的运转区域还很狭小。以下，对于这个问题进行详述。例如，在低负荷运转区域中，供给到燃烧室内的混合气的量较少，缸内温度难以上升，因此着火性恶化，容易发生发动机不发火。而且，为了抑制这样的发动机不发火的发生，公知有如下方案：对于吸气阀、排气阀的配气正时设置负的气门重叠角(overlap)，以便能令已燃气体的一部分残留在燃烧室内，遗留到下次燃烧，即运用所谓内部EGR。通过这样地利用内部EGR，令高温的内部EGR气体和新供给到燃烧室内的混合气混合而使缸内温度上升，因此提升预混合压缩着火燃烧时的着火性，并抑制发动机不发火。但是，若在外部气体温度低等时条件进一步恶化，则燃烧室内温度低，并且，很难获得高温的内部EGR，因此，即使运用内部EGR，也有可能很难引起预混合压缩着火，并发生发动机不发火。
在内部EGR以外，作为令燃烧室内的缸内温度上升的方法还公知有下述方法：例如，在柴油发动机中，令在预热交换器等的加热机构中被加热的吸气(混合气)流入到燃烧室，即，利用进行吸气加热来防止发动机不发火的发生。
另一方面，在预混合压缩着火内燃机中，在高负荷运转区域中，发生爆震、过早着火这类的异常燃烧。并且，为了抑制这样的异常燃烧的发生，公知有利用外部EGR(Exhaust Gas Recirculation，排气再循环)的方法。因为刚从排气通路取出的外部EGR气体为高温，所以在EGR通路中途设置的EGR冷却器中被冷却，以便不恶化吸气的体积效率。并且，通过令被EGR冷却器冷却的EGR气体向燃烧室内回流，利用非活性气体的增加而令燃烧室的燃烧状态减慢。
作为成为加热装置的热交换器，或者成为EGR冷却器的热交换器的一例，在专利文献1的特表2005-517857号公报中，公开了运用热交换器12进行吸气的加热和外部EGR气体的冷却的技术(参照专利文献1的图2)。在该技术中，运用同一的冷却水进行EGR气体的冷却以及吸气加热，由此将热交换机构形成为比较简单。
但是，上述的专利文献1的热交换器的构造为：虽然框体有一个，但是在其内部有分别的第1热交换部和第2热交换部，在各个热交换部中通过分别的系统进行EGR气体的冷却和吸气加热。因此，专利文献1的热交换器，与以往的两个热交换器相比较可以实现省空间化，但是与只有一个热交换部的一般的一个热交换器相比还是大型化。此外，在使用专利文献1的热交换器的内燃机中，包括构成吸气通路以及EGR通路的配管、和冷却水用的配管，需要在一个热交换器上连接多个配管，要在内燃机周边配置而在设计上的制约比较严格。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可以更加节省空间，并可以进行EGR气体的冷却以及吸气加热的预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置。
为了实现上述的目的，本发明的预混合压缩着火内燃机具有：燃烧室；吸气通路，作为向该燃烧室的吸气的通路；排气通路，作为自上述燃烧室的排气的通路；EGR通路，与该排气通路以及上述吸气通路连通，用于令来自上述燃烧室的排气的一部分作为EGR气体向上述燃烧室回流；热交换器，被设置在该EGR通路的中途，进行EGR气体的冷却；EGR阀，被设置在上述EGR通路的中途，用于调整上述EGR通路的开闭状态；加热用吸气通路，在上述吸气通路中从形成在比上述EGR通路的下游端更靠上游侧处的分支部分支，并且下游端与在上述EGR通路中的上述热交换器的上游侧连通；切换阀，用于调整在比上述分支部更靠下游侧分别通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的吸气的量；控制机构，如下地进行控制：在上述EGR阀关闭时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的至少某一个，在上述EGR阀打开时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧仅通过上述吸气通路。
此外，为了实现上述的目的，本发明提供一种预混合压缩着火内燃机的吸排气装置，用于具有燃烧室、和作为从该燃烧室的排气的通路的排气通路的预混合压缩着火内燃机。而且具有：吸气通路，通向上述燃烧室；EGR通路，连通到上述排气通路以及上述吸气通路，用于令来自上述燃烧室的排气作为EGR气体而向上述燃烧室回流；热交换器，被设置在该EGR通路的中途，进行EGR气体的冷却；EGR阀，被设置在上述EGR通路的中途，用于开闭上述EGR通路；加热用吸气通路，在上述吸气通路中从形成在比上述EGR通路的下游端更靠上游侧处的分支部分支，并且下游端与在上述EGR通路中的上述热交换器的上游侧连通；切换阀，用于调整在比上述分支部更靠下游侧分别通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的吸气的量；控制机构，如下地进行控制：在上述EGR阀关闭时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的至少某一个，在上述EGR阀打开时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧仅通过上述吸气通路。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的预混合压缩着火内燃机及吸排气装置的整体概要图。
图2是表示图1的预混合压缩着火内燃机的EGR阀及切换阀的控制状态的图表。
图3是表示使用图1的预混合压缩着火内燃机时的运转区域的概要图。
图4是表示图1的预混合压缩着火内燃机的第1变形例的整体概要图。
图5是表示图1的预混合压缩着火内燃机的第2变形例的整体概要图。
图6是表示在图1的预混合压缩着火内燃机中，不运用增压器而扩大预混合压缩着火燃烧可运转的区域时的运转区域的概要图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式。
(整体构成)
参照图1说明本发明的一实施方式的预混合压缩着火内燃机及其吸排气装置的整体构成。在以下的说明中，“吸气”是指被供给到燃烧室内的气体(例如，吸入空气以及气体燃料混合而成的气体、吸入空气和气体燃料和外部EGR气体混合而成的气体等)，“混合气”是指吸入空气以及气体燃料混合而成的气体。
如图1所示，预混合压缩着火内燃机1，具有燃烧室10、通向燃烧室10的吸气通路11p、以及作为从燃烧室10的排气的通路的排气通路12p，与运转条件(负荷以及内燃机转速)相对应，适宜地切换火花点火燃烧和预混合压缩着火燃烧而进行运转。这样，通过与运转条件相对应而切换预混合压缩着火燃烧和火花点火燃烧，能够借助预混合压缩着火燃烧实现低油耗，借助火花点火燃烧实现良好的启动性/高输出。
此外，预混合压缩着火内燃机1具有(后述关于这些的详细情况)：增压器11t、节气阀3、燃料阀2v(燃料供给量调整机构)、加热用吸气通路20p、切换阀11v、EGR通路30p、EGR阀30v、热交换器40、吸气阀51v、排气阀52v、火花塞53c。进而，预混合压缩着火内燃机1具有ECU(Electronic Control Unit，相当于控制机构)5。与排气阀52v、火花塞53c、吸气阀51v、EGR阀30v、切换阀11v、节气阀3、燃料阀2v、旁通控制阀40v、增压器11t相对应的控制用线缆5a～5i与ECU5电气连接。并且，ECU5构成为控制排气阀52v、火花塞53c、吸气阀51v、EGR阀30v、切换阀11v、节气阀3、燃料阀2v、旁通控制阀40v、增压器11t的动作。
(关于吸排气装置)
本实施方式的预混合压缩着火内燃机1的吸排气装置60，被用于向燃烧室10的吸气的供给和来自燃烧室10的排气的扫气等，具有吸气通路11p、排气通路12p、加热用吸气通路20p、切换阀11v、EGR通路30p、EGR阀30v、热交换器40、ECU5。并且，吸排气装置60，除了进行上述的吸气供给等之外，还进行外部EGR和混合气的混合及吸气加热等。
(混合器)
预混合压缩着火内燃机1在吸气通路11p的中途具有混合器4，通过连通到混合器4的燃料供给路2p向该混合器4供给气体燃料(即，燃料供给路2p成为气体燃料的通路而连通到吸气通路11p)。并且，空气和燃料在混合器4中被混合。
(燃料阀)
燃料阀2v被设置在燃料供给路2p的中途。并且，ECU5控制燃料阀2v而由此调整燃料阀2v的开度，由此，调整向吸气通路11p供给的气体燃料的供给量。
(节气阀)
如图1所示，节气阀3具有轴3c、驱动阀部3v的步进马达(未图示)，阀部3v能够以轴3c为中心旋转。并且，利用ECU5控制节气阀3的步进马达，利用阀部3v调整通路的开度，由此，调整通过吸气通路11p而向燃烧室10供给的吸气量。
(增压器)
增压器11t是增压可变的电动涡轮型增压器，作为被电动马达M驱动的离心式压缩机而构成。增压器11t被设置在吸气通路11p的中途。此外，比增压器11t更靠上游侧以及增压器11t的出口部分别与旁通路径40a和主路径40b连接，经由这些路径而与吸气通路11p连通。在旁通路径40a的中途上，设置用于开闭旁通路径40a的旁通控制阀40v。
在不使用增压器11t时，控制使电动马达M停止，同时，控制使旁通控制阀40v开放。由此，旁通路径40a起到通常的吸气通路的作用。另一方面，使用增压器11t进行增压时，控制电动马达M使其驱动旋转，同时控制使旁通控制阀40v切断。由此，主路径40b起到增压用通路的作用。
(燃烧室)
燃烧室10是在内燃机中由气缸和活塞形成的内部空间，活塞50沿着图的上下方向往复运动。混合气通过吸气通路11p被供给到燃烧室10。并且，在燃烧之后，排气通过排气通路12p被排出。在吸气通路11p的向燃烧室10的开口部、以及排气通路12p的向燃烧室10的开口部处，分别配置吸气阀51v以及排气阀52v，与吸气、压缩、燃烧/膨胀、排气的各行程中的活塞50的上升/下降相对应而适宜地开闭控制这些阀，由此进行吸气以及排气。更详细而言，吸气阀51v、排气阀52v分别被在未图示的凸轮轴的外周处形成的凸轮51c、52c驱动开闭，利用在凸轮轴上设置的公知的配气正时可变机构来变更开闭时机(与曲轴转角相对应的相位)。此外，火花塞53c用于火花点火燃烧时的点火，其动作由ECU5控制。
(EGR通路)
来自燃烧室10的排气，通过排气通路12p，从未图示的排气口向外部排出，但是，排出到排气通路12p的排气的一部分被再次供给向燃烧室10。EGR通路30p是用于令来自燃烧室10的排气的一部分作为EGR气体而向燃烧室10回流的部件，形成为在分支位置12b处从排气通路12p分支，并且，其下游端30b连通到吸气通路11p。由此，排气通路12p以及吸气通路11p的内部空间与EGR通路30p的内部空间在EGR通路30p的上游端(分支位置12b)和下游端30b处连通。
在EGR通路30p的中途上，用于调整EGR通路30p的开闭状态的EGR阀30v、和进行EGR气体的冷却的热交换器40，从上游侧(对于EGR气体的流动方向而言)以该顺序设置。此外，如后所述，在EGR阀30v和热交换器40之间，配置连通部20b，加热用吸气通路20p的下游端连通到EGR通路30p。
(热交换器)
热交换器40被设置在EGR通路30p的中途，起到EGR气体的冷却装置的作用。此外，热交换器40，在切换切换阀11v以使吸气(混合气)通过加热用吸气通路20p时，还起到吸气加热装置的作用。
此外，热交换器40的热交换介质是发动机的循环冷却水，热交换器40，由于该循环冷却水通过内部，因而起到热交换器的作用(参照图1的箭头A、A’)。在发动机工作时，冷却气缸模块而变为高温的循环冷却水，从发动机向外部的散热器循环，由于被散热器冷却，因而该冷却水温度被维持在70至80度左右。
(加热用吸气通路)
加热用吸气通路20p是在进行吸气加热时成为吸气的通路一部分的部件，在吸气通路11p中，从形成在比EGR通路30p的下游端30b(对于吸气的流动方向而言)更靠上游侧处的分支部11b分支。此外，加热用吸气通路20p以其下游端在连通部20b处与EGR通路30p中的热交换器40的上游侧(对于EGR气体的流动方向而言的上游侧)连通的方式形成。
(切换阀)
切换阀11是用于调整分别通过比分支部11b更靠下游侧(对于吸气的流动方向而言)的吸气通路11p以及加热用吸气通路20p的吸气(混合气)的量的部件。从上游送到分支部11b的混合气，利用切换阀11v的调整，在通过分支部11b后，在比分支部11b更靠下游侧，决定以什么样的比例在吸气通路11p和加热用吸气通路20p这两个流通通路中流通。具体而言，切换为以下某个模式的任意一个：(a)在比分支部11b更靠下游侧，全部的混合气原封不动地通过吸气通路11p而向燃烧室10流入的路径(吸气通路：100％)、(b)在比分支部11b更靠下游侧，全部的混合气通过加热用吸气通路20p，并通过EGR通路30p的局部，再次通过吸气通路11p而向燃烧室10流入的路径(加热用吸气通路：100％)，进而，(c)这些的中间状态的路径(在比分支部11b更靠下游侧，一部分的混合气通过吸气通路11p，而一部分的混合气通过加热用吸气通路20p的路径)。
切换阀11v具体而言，在内部具有吸气通路11p用阀(未图示)和加热用吸气通路20p用阀(未图示)，通过分别地开闭控制这些阀而调整分别在比分支部11b更靠下游侧的吸气通路11p以及加热用吸气通路20p中流通的吸气量。在本实施方式中切换阀以这种方式构成，但是，不限定于这样的方式。
ECU5如下地控制切换阀11。首先，在关闭EGR阀30v时，切换切换阀11v，以使向燃烧室10流入的混合气在分支部11b的(对于吸气流方向而言)下游侧通过吸气通路11p以及加热用吸气通路20p中的至少某一个。另一方面，在打开EGR阀30v时，切换切换阀11v，以使向燃烧室流入的混合气在分支部11b的下游侧仅通过吸气通路11p(混合气不通过加热用吸气通路20p，全部的混合气通过吸气通路11p)。
(关于排气以及外部EGR)
接着，对排气以及外部EGR进行说明。在预混合压缩着火燃烧时，在高负荷侧的运转区域中，容易出现异常燃烧状态。在此，在预混合压缩着火内燃机1中，在上述高负荷侧的运转区域中打开EGR阀30v，由此利用设置在EGR通路30p的中途的热交换器40冷却EGR气体，并且将EGR气体与混合气一起供给到燃烧室10内。由此，燃烧室10的燃烧状态被减慢。
(关于内部EGR)
接着，对于内部EGR进行说明。预混合压缩着火内燃机1，对于预混合压缩着火燃烧运转时的配气正时具有负的气门重叠角，利用内部EGR而进行预混合压缩着火燃烧。在此，负的气门重叠角是在排气上止点附近将排气阀52v以及吸气阀51v双方都关闭的期间，排气阀52v在到达排气上止点之前关闭。由此，可以令已燃烧气体(内部EGR气体)的一部分残留在燃烧室10内，并遗留到下次燃烧。通过设置负的气门重叠角而利用内部EGR，高温的内部EGR气体与新供给到燃烧室10内的混合气混合，令缸内温度上升，所以提升预混合压缩着火燃烧时的着火性。而且，通过控制负的气门重叠角的大小，能够一定程度地控制着火时机。
(关于增压以及外部EGR)
接着，对于增压以及外部EGR进行说明。在高负荷运转时，由于增加含有气体燃料的混合气的供给量，而过度地提升着火性，容易发生由过度燃烧状态引起的爆震。为了抑制爆震的发生，以降低着火性为目的而需要减少燃烧室10内的内部EGR量。因此，进行使负的气门重叠角变小的控制。但是，内部EGR的减少，由于同时引起着火时机的延迟和燃烧速度的降低，所以不能以该状态着将火时机和燃烧速度控制为适当的平衡。在此，首先，通过增压令吸气温度上升而控制着火时机，并且将其维持为适当的时机。进而，在发动机的运转区域在高负荷侧时，为了抑制异常燃烧而进行外部EGR，使燃烧速度变得缓慢。
(动作)
接着，对如上所述地构成的预混合压缩着火内燃机1的动作进行说明。首先，在进行火花点火燃烧的运转区域中，ECU5控制火花塞53c等，进行火花点火燃烧。
另一方面，在进行预混合压缩着火的运转区域中，ECU5进行如下的控制。首先，在混合器4中生成的混合气一边利用节气阀3调整吸气量一边通过吸气通路11p，到达配置切换阀11v的分支部11b的位置。
而且，在关闭EGR阀30v时，切换切换阀11v以使向燃烧室10流入的混合气在分支部11b的下游侧通过吸气通路11p以及加热用吸气通路20p中的至少某一个。在此，在混合气通过加热用吸气通路20p时，因为混合气通过热交换器40，所以在热交换器40中进行混合气的加热。因此，外部气温左右的混合气，通过加热用吸气通路，以预先升温数度～数十度的状态被供给向燃烧室10。在外部气温低时等情况下，由于燃烧室内温度低、很难获得高温的内部EGR，所以难以引起预混合压缩着火，若进行预混合压缩着火燃烧则可能发生发动机不发火。但是，通过这样地令预先加热的吸气(混合气)向燃烧室10流入，可抑制发动机不发火的发生，并可扩大能够进行预混合压缩着火燃烧的运转区域。
EGR阀30v关闭时相当于处于无需使用外部EGR的运转区域的时候。如图3所示，在由发动机负荷以及发动机转速确定的运转区域中，预混合压缩着火燃烧区域(适于预混合压缩着火燃烧的运转区域)应当为图的中央部分。该预混合压缩着火燃烧区域(a、b、c、d区域)中，a、b、c区域是不使用外部EGR的运转区域。
另一方面，在打开EGR阀30v时，切换切换阀11v以使向燃烧室流入的混合气在分支部11b的下游侧仅通过吸气通路11p。即，在打开EGR阀30v时，控制切换阀11v，以使混合气不通过加热用吸气通路20p。
而且，由于EGR阀30v打开，来自燃烧室的排气的一部分在EGR通路30p内流通，并被热交换器40冷却，从与吸气通路11p连通的下游端30b向吸气通路11p流入，并向燃烧室10回流(即，混合气和外部EGR气体都向燃烧室10送出)。这样，在EGR阀30为开阀状态时，热交换器40作为外部EGR的冷却装置起作用。
在高负荷运转区域中，发生所谓爆震、过早着火的异常燃烧，通过这样地利用外部EGR，可抑制异常燃烧的发生。更具体而言，外部EGR气体是高温(例如在热交换器之前为约300度)，在设置在EGR通路30p中途的热交换器(EGR冷却器)40中被冷却。而且，被冷却的EGR气体回流到燃烧室10内，非活性气体增加，由此燃烧室10的燃烧状态被减慢，抑制燃烧室10内的异常燃烧的发生。
此外，EGR阀30v打开时相当于处于需要使用外部EGR的运转区域的时候。在如图3所示的由发动机负荷以及发动机转速确定的运转区域中，预混合压缩着火燃烧区域(a～d区域)中，d区域是指使用外部EGR的运转区域。具体而言，在高负荷运转区域中，伴随着混合气的增压而利用外部EGR。由此，通过利用增压使吸气温度上升并利用外部EGR使局部的温度降低，由此令着火性的确保和燃烧状态的减慢都成为可能，结果，在高负荷侧的区域中，可扩大能进行预混合压缩着火燃烧的区域。
(预混合压缩着火内燃机及吸排气装置的控制例)
接着，参照图2说明预混合压缩着火内燃机1及吸排气装置60的控制例。图2是表示预混合压缩着火内燃机1的EGR阀30v以及切换阀11v的开闭以及切换控制的图表。图2的横轴表示发动机负荷的大小。图2的上侧的图表表示EGR阀的开度。在该图表中，最下端(参照图2的(i))是EGR阀30v的闭阀状态，由此越向上方EGR阀30v的开度越大(参照图2的(ii))。此外，图2的下侧的图表表示切换阀11v的切换状态。在该图表中，最上端的位置(参照图2的(1))表示在分支部11b的下游侧混合气全部通过加热用吸气通路20p的状态，最下端的位置(参照图2的(3))表示在分支部11b的下游侧，混合气全部通过吸气通路11p的状态。此外，该中间位置(参照图2的(2))表示这些的中间状态，即，表示在比分支部11b更靠下游侧，一部分混合气通过吸气通路11p，且一部分的混合气通过加热用吸气通路20p的状态。
此外，如图2所示，在预混合压缩着火内燃机1中，与发动机负荷相对应，分为NA(自然吸气)区域、增压区域、以及增压/外部EGR区域等的运转区域，进行与各负荷区域相应的运转控制。另外，对于图2的横轴的范围，作为全范围的局部而表示，存在有比图中所示的范围更低负荷的区域以及更高负荷的区域。
如图2所示，在NA区域以及增压区域中，令EGR阀30v为闭阀状态，将加热用吸气通路20p以及吸气通路11p用作吸气路。即，外部EGR不被利用，热交换器40仅被用于吸气加热。
另一方面，在增压/外部EGR区域中，EGR阀30v成为开阀状态，完全不利用加热用吸气通路。即，利用外部EGR，热交换器40作为EGR冷却器仅被用于外部EGR气体的冷却。
另外，图2的控制表示了一个例子，EGR阀30v以及切换阀11v的控制不限定于此。
(效果)
以下，与柴油发动机进行比较，同时说明本发明所起到的效果。在柴油发动机中，在发动机启动时等低负荷运转时，为了抑制未燃燃料成分和白烟等的产生而进行吸气加热。此外，通过利用外部EGR，将作为非活性气体的排气供给到燃烧室，降低最高燃烧温度，令氮氧化物的产生量减少。若对此进行补充说明，则在柴油发动机中，由于燃料直接喷射到燃烧室内，在燃烧室内发生燃料有浓有淡的情况不可避免，由此产生局部的高温部，成为氮氧化物大量地产生的原因。即，在柴油发动机中，外部EGR用于抑制氮氧化物，特别是在排气对策被重视的近年，在低负荷运转区域中，扩大了与吸气加热并用的运转区域。
另一方面，在预混合压缩着火燃烧中，在外部气温低时等的低负荷运转时以及中负荷运转时，通过加热吸气(混合气)而提升着火性，并抑制发动机不发火的发生。此外，在预混和压缩着火燃烧中，因为可抑制爆震所以高负荷运转时的外部EGR的利用是有效的。但是，在外部气温低时等的低负荷运转时以及中负荷运转时，因为令着火性降低所以不希望利用外部EGR。即，在预混合燃烧着火中，因为吸气加热令着火性提高、外部EGR抑制着火性，各自被使用的运转区域不同，所以不并用外部EGR和吸气加热。
若进行补充说明，则在预混合压缩着火燃烧中，令燃料和空气大致均一地混合而成的混合气在燃烧室内自燃，所以和燃料不均匀的柴油发动机、和在火焰面处产生局部的高温的火花点火燃烧(例如汽油发动机)相比，不易产生局部的高温部，最高燃烧温度也很低。因此，氮氧化物的产生量少，不需要为了抑制氮氧化物的产生而运用外部EGR。
如上述所述，在预混合压缩着火内燃机1中，不同时使用外部EGR和吸气加热，因此热交换器40与(由发动机负荷及发动机转速确定)运转区域相对应，仅进行EGR气体的冷却以及吸气加热的某一项。因此，通过如上所述地构成预混合压缩着火内燃机1，作为EGR冷却器使用的热交换器4 0能够以原有的构成用于吸气加热，所以热交换器不会比一个只有1个热交换部的一般的热交换器更大型化。因此，可通过简单的构成来进行EGR气体的冷却以及吸气加热。此外，利用具有EGR冷却器的已存的EGR通路，可通过简单的配管构造的变更和追加来实现如上述那样的构成。进而，不需要包括形成吸气通路以及EGR通路的配管和冷却水用的配管而在一个热交换器上连接多个配管，因而在内燃机周边的配置方面的设计上的制约被缓解，因而可更加节省空间，并可进行EGR气体的冷却以及吸气加热。
此外，因为EGR阀30v在EGR通路30p中被设置在比加热用吸气通路20p的下游端(连通部20b)还靠上游侧，所以不令被加热的吸气(混合气)在EGR通路30p中向比连通部20b更靠上游侧流入，可令其经由比EGR通路30p的连通部20b更靠下游侧以及吸气通路11p而向燃烧室10回流，并且，在EGR阀关闭时，可防止EGR气体向加热用吸气通路20p流入。
此外，因为切换阀11v被设置在分支部11b处，所以可将要利用热交换器40加热的吸气(混合气)主动地向加热用吸气通路20p送入。另一方面，不通过热交换器40的吸气(混合气)不进入加热用吸气通路，全部通过吸气通路。因此，高效率地进行吸气的流通。
此外，热交换器40，因为发动机的循环冷却水在内部通过，所以可利用发动机的热量，可利用更简单的构成进行EGR气体的冷却以及吸气加热。
此外，本发明的预混合压缩着火内燃机的吸排气装置60，如上述那样地构成，因而可利用简单的构成进行EGR气体的冷却以及吸气加热。此外，利用具有EGR冷却器的已存的EGR通路，通过简单的配管构造的变更和追加可实现如上述那样的构成。
(关于可运转范围的扩大)
此外，运用预混合压缩着火内燃机1以及吸排气装置60，能够将可运转范围向低负荷侧扩大。利用图3对此进行说明。图3是表示运用预混合压缩着火内燃机1时的运转区域的概要图，横轴表示发动机转速，纵轴表示发动机负荷。
在图3中，作为HCCI所示的中央部分是进行预混合压缩着火燃烧的区域，除此之外的周边部分为SI(火花点火燃烧)区域。这样地与发动机负荷和发动机转速相对应，适宜地切换预混合压缩着火燃烧和火花点火燃烧而运转。
而且，在考虑到不进行吸气加热的内燃机时，通过自然吸气可进行运转的区域仅为图3的b区域。即，在不进行吸气加热时，图的a区域是利用火花点火燃烧进行运转的区域。但是，在如预混合压缩着火内燃机1那样地进行吸气加热时，除了b区域，a区域也可进行预混合压缩着火燃烧的运转。
以下，更具体地进行说明。首先，关于作为低负荷区域的a区域中的预混合压缩着火燃烧，由于被供给的燃料的量很少而容易发生发动机不发火。但是，通过在a区域中进行吸气加热，即，关闭EGR阀30v，对切换阀11v进行切换以使吸气(混合气)通过加热用吸气通路20p，可提升着火性，可抑制发动机不发火的发生，因而可进行预混合压缩着火燃烧。由此，能够将可运转区域向低负荷侧扩大。
在预混合压缩着火内燃机1中，通过进行以上的控制，能够将可运转范围向低负荷侧(a区域)扩大。此外，通过适宜地调整切换阀11v，与外部气温相对应而控制向吸气通路11p以及加热用吸气通路20p各自的吸气的分配量，可调整向燃烧室10流入的吸气温度。因此，无论外部气温的高低，可通过吸气的分配调整来将可运转范围向低负荷侧扩大。另外，图的c区域为可在增压下运转，图的d区域可利用增压以及外部EGR运转。
(变形例)
接着，对于上述的实施方式中的预混合压缩着火内燃机的变形例，参照图4、5重点说明和上述的实施方式不同的部分。图4表示第1变形例的预混合压缩着火内燃机的整体概要图，图5表示第2变形例的预混合压缩着火内燃机的整体概要图。另外，对于和上述的实施方式相同的部分，标注相同的符号而省略其说明。
(第1变形例)
首先，说明第1变形例。在本变形例的预混合压缩着火内燃机100及吸排气装置160中，如图4所示，切换阀111v以及EGR阀130v被设置在加热用吸气通路20p和EGR通路130p的连通部20b处。具体而言，作为开闭阀的切换阀111v被设置在加热用吸气通路20p和EGR通路130p的连接部上，作为开闭阀的EGR阀130v被设置在EGR通路中的连通部20b的上游侧。在此，连接切换阀111v以及EGR阀130v和ECU105的控制用线缆105d(105e)相当于将在上述的实施方式中的控制线缆5d、5e缠为一根而成的线缆。根据本变形例，将切换阀以及EGR阀作为阀100而配置在一个位置即可，可简单地构成预混合压缩着火内燃机以及吸排气装置。
(第2变形例)
首先，说明第2变形例。在本变形例的预混合压缩着火内燃机200以及吸排气装置260中，如图5所示，EGR阀230v位于加热用吸气通路20p和EGR通路230p的连通部20b(加热用吸气通路的下游端)附近，在EGR通路230p中，被设置在对于EGR的流向方向而言的上游侧。形成为这样的构成也可得到和上述的实施方式同样的效果。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明不限定于上述的实施方式，在权利要求的范围内可进行各种变更并实施。
例如，在上述的实施方式中，燃料供给路2p，配置为向吸气通路11p的分支部11b的上游侧连通，但不限定在这样的位置。例如，也可向吸气通路11p的与EGR通路30p的连接部(下游端30b)的下游侧连通(参照图1的箭头C位置)。通过将燃料供给路2p配置在上述的实施方式的位置，或者配置在箭头C的位置，利用切换阀11v选择吸气通路11p以及加热用吸气通路20p的某一方，均可在吸入空气的路径的中途供给燃料。另一方面，向吸气通路11p的分支部11b和连结部(下游端30b)的中间位置(参照图1的箭头B位置)配置燃料供给路时，在选择加热用吸气通路20p时，由于使燃料供给路的连通位置不在吸入空气的路径的中途，所以供给不完全而不优选。
此外，在上述的实施方式中，节气阀3在吸气通路11p中被配置在分支部11b的上游侧，但是不限定为这样的配置，也可被设置在与EGR通路30p的连结部(下游端30b)的下游侧(参照图的箭头C位置)。通过将节气阀3配置在上述的实施方式的位置，或者箭头C的位置，利用切换阀11v选择吸气通路11p以及加热用吸气通路20p的任意一方，均可向前方送出并自后方吸引吸气。另一方面，向吸气通路11p的分支部11b和连结部(下游端30b)的中间位置(参照图1的箭头B位置)配置节气阀时，由于在选择加热用吸气通路20p时吸气量的调整变得困难所以不优选。
此外，在上述的实施方式中，为了将预混合压缩着火燃烧的可运转区域主要是向与低负荷侧扩大而利用内部EGR，为了令该区域向高负荷侧扩大而利用增压器11t，但是这些构成不是必须的。在不使用内部EGR或增压器时，预混合压缩着火燃烧的可运转区域会变得狭小，但可使用本发明，并利用吸气加热以及外部EGR。此外，作为扩大预混合压缩着火燃烧的可运转区域的方法，提出有替代内部EGR而提升燃烧室内的压缩比的方案，在这样的预混合压缩着火内燃机中，也可使用本发明。
此外，在上述的实施方式中，以使用气体燃料的内燃机作为前提，但不做特别的限定，也可使用于汽油发动机等其他形式的内燃机。另外，例如在汽油发动机的情况下，作为燃料供给机构，替代上述的实施方式的混合器，使用化油器或者喷射器等，适宜地变更燃料供给机构即可。
此外，在上述的实施方式中，作为热交换器40的热交换介质使用发动机的循环冷却水，但是热交换介质不特别限定于此。例如，上述的实施方式所述的燃气发动机在被用于燃气热力泵时，也可使用存在于装置内的暖房用温水配管。只要是比较低的外部气温高温，比EGR气体(排气)低温的热交换介质即可，可没有特别的限定地使用。
此外，在上述的实施方式中，为了扩大预混合压缩着火燃烧的可运转区域而使用增压器11t，但这不是必须的。在将预混合压缩着火燃烧的可运转区域向高负荷侧扩大的必要性低时，也可省略由增压器以及外部EGR进行的控制。运转区域向高负荷侧扩大的必要性低的情况是指：如例如一部分的定置型发动机那样地、用于常用的运转区域被狭小地限定在低中负荷区域的用途的情况。此外，虽然不如使用增压器时，但在由内部EGR控制的高负荷侧即内部EGR减少并吸入的混合气量增加的状态下，若同时使用外部EGR，则如图6e所示那样，不使用增压器即可扩大预混合压缩着火燃烧的可运转区域。在图6中，a、b、e是控制内部EGR的量的区域，a是在低外部气温/低负荷时进行吸气加热而抑制发动机不发火的区域，e是在高负荷时通过并用外部EGR抑制爆震并扩大运转区域的区域。

Claims (6)

1.一种预混合压缩着火内燃机，具有：燃烧室；吸气通路，作为向该燃烧室的吸气的通路；排气通路，作为来自该燃烧室的排气的通路，其特征在于，具有：
EGR通路，与上述排气通路以及上述吸气通路连通，用于令来自上述燃烧室的排气的一部分作为EGR气体而向上述燃烧室回流；
热交换器，被设置在该EGR通路的中途，进行EGR气体的冷却；
EGR阀，被设置在上述EGR通路的中途，用于调整上述EGR通路的开闭状态；
加热用吸气通路，在上述吸气通路中从形成在比上述EGR通路的下游端更靠上游侧处的分支部分支，并且下游端与上述EGR通路的上述热交换器的上游侧连通；
切换阀，用于调整分别通过比上述分支部更靠下游侧的上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的吸气的量；
控制机构，如下地进行控制：在上述EGR阀关闭时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的至少某一个，在上述EGR阀打开时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧仅通过上述吸气通路。
2.如权利要求项1所述的预混合压缩着火内燃机，其特征在于，上述EGR阀在上述EGR通路中被设置在比上述加热用吸气通路的下游端更靠上游侧处。
3.如权利要求项1或者2所述的预混合压缩着火内燃机，其特征在于，上述切换阀被设置在上述分支部。
4.如权利要求项1或者2所述的预混合压缩着火内燃机，其特征在于，上述切换阀以及上述EGR阀被设置在上述加热用吸气通路和上述EGR通路的连通部。
5.如权利要求项1或者2所述的预混合压缩着火内燃机，其特征在于，上述热交换器是在内部通过有发动机的循环冷却水的热交换器。
6.一种预混合压缩着火内燃机的吸排气装置，用于具有燃烧室、作为从该燃烧室排气的通路的排气通路的预混合压缩着火内燃机，该吸排气装置的特征在于，具有：
吸气通路，通向上述燃烧室；
EGR通路，向上述排气通路以及上述吸气通路连通，用于令来自上述燃烧室的排气作为EGR气体而向上述燃烧室回流；
热交换器，被设置在该EGR通路的中途、进行EGR气体的冷却；
EGR阀，被设置在上述EGR通路的中途，用于开闭上述EGR通路；
加热用吸气通路，在上述吸气通路中从形成在比上述EGR通路的下游端更靠上游侧处的分支部分支，并且下游端与上述EGR通路的上述热交换器的上游侧连通；
切换阀，用于调整在比上述分支部更靠下游侧分别通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的吸气的量；
控制机构，如下地进行控制：在上述EGR阀关闭时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧通过上述吸气通路以及上述加热用吸气通路的至少某一个，在上述EGR阀打开时，切换上述切换阀以使向上述燃烧室流入的吸气在上述分支部的下游侧仅通过上述吸气通路。
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