CN101360905A - 预混合压缩自着火内燃机的控制装置 - Google Patents

预混合压缩自着火内燃机的控制装置 Download PDF

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Abstract

在进气温度比既定的常温区的温度高时，ECU(25)，以将排气阀(9)的关闭时刻向滞后角侧调节的方式控制可变配气正时机构(24)，从而使高温的内部EGR气体量减少而避免过早着火。ECU(25)，在中负荷时以及高负荷时，使排气阀(9)的关闭时刻的滞后角量比低负荷时大而使内部EGR气体量减少，在中负荷时且在中转速区域以及高转速区域中，使电动马达(16)的转速增大而增大基于增压机(17)的增压。在高负荷时且在高转速区域中，控制增压机(17)的电动马达(16)以及EGR控制阀(22)，以便由温度传感器(26)检测的进气温度越高越提升增压且越增加外部EGR气体量。

Description

预混合压缩自着火内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及一种预混合压缩自着火内燃机的控制装置，特别是涉及一种具备增压机和外部EGR(排气再循环)机构的预混合压缩自着火内燃机的控制装置。
背景技术
近年，使混合气压缩自着火的预混合压缩自着火燃烧方式的内燃机受到了广泛关注。公知若为该预混合压缩自着火燃烧方式，则与以往的扩散燃烧方式或火焰传播燃烧方式的内燃机相比，在燃油性的提高以及NOX的降低等方面能发挥更优异性能。
例如在专利文献1中公开有采用预混合压缩自着火燃烧方式的以往的内燃机。在专利文献1中记载的内燃机中，如负荷-转速模型(MAP)图所示，进行如下选择：在低转速/低负荷侧中进行预混合压缩自着火燃烧，在高转速/高负荷侧中进行火花点火燃烧。在预混合压缩自着火燃烧时，在排气上止点的前后，设置有进气阀和排气阀双方都关闭的密闭期间，而进行使已燃气体残留在燃烧室中的内部EGR，且相对于外部环境的变化而调节进气阀以及排气阀的开闭时机，从而能够进行稳定的自着火燃烧。例如，进气温度越低则令密闭期间越大，从而防止在排气上止点附近的燃烧室内温度的降低。此外，还提出有在密闭期间中向燃烧室内喷射燃料，而生成着火性高的改性种的方法。
专利文献1：特开2002-129991号公报
如专利文献1所述，在只使用进气阀以及排气阀的开闭时机的调节以及密闭期间中的燃料喷射时，很难在高转速/高负荷侧进行稳定的自着火燃烧，所以必须切换到火花点火燃烧，在能够进行预混合压缩自着火燃烧的运转区域的方面受到限制。在专利文献1的实施例中，以汽油内燃机为前提，在作为燃料使用着火性差的都市燃气等的时候，着火温度高，所以该倾向更加显著，能够稳定地预混合压缩自着火燃烧的运转区域被限制为很小。
根据专利文献1中记载的内部EGR以及密闭期间中的燃料喷射，能够改善燃烧室内的着火性。因此，通过调节内部EGR量以及改性种的生成量，能够控制在低转速/低负荷侧中的着火时刻等。但是，由中转速中负荷到高转速/高负荷的区域中，通过增加燃料的供给量，即使减少内部EGR也可以获得充分的着火性。此外，需要与负荷对应而增加燃料的供给量，相反地地减少能够利用的内部EGR量。因此，在仅仅使用上述的方法时，在高转速/高负荷侧的情况下逐渐地控制的宽度变窄，难以进行与外部环境对应的控制。在燃料的供给量增加的高转速/高负荷侧，容易产生以下问题，即由于进气温度的上升而燃烧室内温度上升且由于急剧的燃烧而燃烧噪音增大。但是，在专利文献1中记载的结构中，不能解决这样的问题，结果是把能够预混合压缩自着火燃烧的区域限制得很窄。
发明内容
本发明是为了解决这样的问题而提出的，目的在于提供一种能够在高转速/高负荷侧扩大能够预混合自着火燃烧的运转区域的预混合压缩自着火内燃机的控制装置。
本发明是一种预混合压缩自着火内燃机的控制装置，在燃烧室内将燃料和含有氧的气体的混合气压缩而使其自着火燃烧，并且在排气上止点的前后设置进气阀和排气阀的双方都关闭的密闭期间，从而使已燃气体作为内部EGR气体而残留在燃烧室内，其中，具备：温度传感器，检测进气温度；转速传感器，检测内燃机的转速；负荷传感器，由内燃机的运转状况检测负荷的大小；增压可变型的增压机，配置在进气通路上；外部EGR机构，令排气通路的排气的一部分作为外部EGR气体而从增压机向上游侧的进气通路回流；控制机构，控制增压机以及外部EGR机构，控制机构对增压机以及外部RGR机构进行控制，以便基于来自转速传感器以及上述负荷传感器的信号而掌握当下的转速和负荷的大小，在判定为在预先设定的高转速且高负荷区域中运转时，由温度传感器检测的进气温度越高越提高增压且越增加外部EGR气体的量。
优选具有调节排气阀的开闭时机的可变配气正时机构，控制机构以下述方式控制可变配气正时机构，即在由温度传感器检测的进气温度比常温低时将排气阀的关闭时刻向提前角侧调节、在比常温高时将排气阀的关闭时刻向滞后角侧调节。
另外，可构成为控制机构以下述方式控制可变配气正时机构，即在由温度传感器检测的进气温度比常温低时，使排气阀的关闭时刻的提前角量在预先设定的低负荷区域中的运转时比在预先设定的中负荷区域中的运转时小。
此外，控制机构能够以下述方式控制外部EGR机构，即在由温度传感器检测的进气温度比常温低且在高负荷区域中运转时，减少外部EGR气体的量。
进而，可构成为控制机构以下述方式控制可变配气正时机构，即在由温度传感器检测的进气温度比常温高时，使排气阀的关闭时刻的滞后角量在预先设定的中负荷区域中运转时比在预先设定的低负荷区域中运转时大。
根据本发明，能够在高转速/高负荷侧中扩大能够预混合自着火燃烧的运转区域。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的预混合压缩自着火内燃机的控制装置的框图。
图2是表示控制模型图的图。
图3a是表示在常温时的排气阀的关闭时刻的提前角量的曲线图。
图3b是表示在低温时的排气阀的关闭时刻的提前角量的曲线图。
图3c是表示在高温时的排气阀的关闭时刻的提前角量的曲线图。
图4a是表示在常温时以及低温时的增压的曲线图。
图4b是表示在高温时的增压的曲线图。
图5a是表示在常温时的外部EGR气体量的曲线图。
图5b是表示在低温时的外部EGR气体量的曲线图。
图5c是表示在高温时的外部EGR气体量的曲线图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。
本发明的实施方式的预混合压缩自着火内燃机的控制装置的构成如图1所示。发动机1具有气缸模块2，在气缸模块2的内部形成有气缸室3，在气缸室3内往返滑动自如地配置有活塞4。形成有进气口6和排气口8的气缸盖5固定在气缸模块2的上部，在该气缸盖5上安装有开闭进气口6的进气阀7以及开闭排气口8的排气阀9。由气缸室3和活塞4的上表面和气缸盖5而划分形成燃烧室10。此外，在进气口6上连接进气通路11，在排气口8上连接排气通路12。
节气门13配置在进气通路11的内部，在形成在比该节气门13更靠上游侧的缩颈部14处连结燃料供给通路15。在比缩颈部14更靠上游侧的进气通路11中配置由电动马达16驱动的增压可变型的增压机17，在比增压机17更靠上游的进气通路11上连接空气滤清器18。此外，在进气通路11上以相互地连通增压机17的上游侧和下游侧的方式形成有旁通路径19，在该旁通路径19上配置有用于开闭旁通路径19的旁通控制阀20。
用于回流排气的EGR通路21的一端连接在排气通路12的中间，EGR通路21的另一端与进气通路11的比增压机17更靠上游侧连接。此外，在EGR通路21上配置有EGR控制阀22。
将开闭时机能够分别独立地变更的可变配气正时机构23以及24连结在发动机1的进气阀7以及排气阀9上。在这些可变配气正时机构23以及24上连接ECU(发动机控制单元)25，ECU25控制可变配气正时机构23以及24，从而在排气上止点的前后处设置进气阀和排气阀双方都关闭的密闭期间，从而进行使已燃气体作为内部EGR气体而被残留在燃烧室10内的内部EGR。
此外，在位于进气口6附近的进气通路11上安装用于检测进气温度的温度传感器26。进而，在发动机1上连接检测发动机1的转速的转速传感器(曲轴转角传感器)27、检测发动机1的运转状况例如燃料喷射量而作为负荷信号进行输出的负荷传感器28。而且，在ECU25上分别连接温度传感器26、转速传感器27以及负荷传感器28和增压机17的电动马达16、旁通控制阀20以及EGR控制阀22。
接着，说明该实施方式的动作。若通过ECU25的控制而启动发动机1，则配置在燃料供给通路15的上游的未图示的燃料阀开阀，并且借助在进气通路11的缩颈部14中流通的空气而由燃料供给通路15向进气通路11内吸入都市燃气等的气体燃料，向发动机1供给空气和气体燃料的混合气。若活塞4从上止点开始下降，则进气阀7打开而由进气口6向燃烧室10内吸入混合气。若活塞4由下止点上升运转，则进气阀7关闭，随着活塞4的上升，燃烧室10内的混合气的压力以及温度上升。若混合气的温度上升到既定值，则由此燃料自着火，而在燃烧室10内引起燃烧。借助该燃烧活塞4被向下方按压，若活塞4从下止点开始上升，则排气阀9打开，燃烧室10内的燃料气体经由排气口8而向排气通路12排出。
活塞4的这样的往返运动经由未图示的连杆而变换为曲轴的旋转运动，能够从发动机1输出。
在此，ECU25基于每既定时间的来自转速传感器27以及负荷传感器28的信号，计算出当下的发动机转速和要求的负荷。ECU25，预先存储例如如图2所示那样的控制模型图，将算出的发动机转速和负荷与该控制模型图对照，从而决定进行下述哪种方式：(A)仅仅进行内部EGR气体的供给，(B)合并进行内部EGR气体的供给和增压，(C)进行内部EGR气体以及外部EGR气体的供给和增压。另外，也可以不使用控制模型图而将发动机转速和负荷代入预先存储的判定式中，决定进行上述(A)、(B)、(C)中的某一种。
(A)在预先设定的低负荷区域中的运转时，在仅仅进行内部EGR气体供给时，ECU25，与所要求的负荷对应而利用可变配气正时机构24控制排气阀9的关闭时刻(EVC)，从而调节内部EGR气体量。另外，在此不进行增压，所以电动马达16被控制为停止状态且旁通控制阀20打开而开放旁通路径19，新鲜气体通过该旁通路径19而供给向燃烧室10。此外，借助ECU25使控制阀22为全闭状态，不进行向进气侧的通过EGR通路21的外部EGR气体的供给。
通过在排气上止点的前后设置进气阀7和排气阀9双方都关闭的密闭期间，高温的已燃气体作为内部EGR气体而残留在燃烧室10内，所以借助该内部EGR气体加热由进气口6供给的空气和气体燃料的混合气，提升着火性。
排气阀9的关闭时刻(EVC)，如图3a所示，控制为负荷越低角度越提前、相反地负荷变高则角度滞后。通过如此控制，在低负荷时增大高温的内部EGR气体量，所以即使对于稀(稀薄)的混合气也能够稳定地获得充分的压缩着火燃烧，可提高燃油性且降低NOX排出量。另一方面，因为负荷越高，高温的内部EGR气体量越少，所以可抑制爆震的发生。
(B)在预先设定的中负荷区域中的运转时，在除内部EGR气体的供给之外还进行增压时，ECU25关闭旁通控制阀而使旁通路径断开，并且驱动电动马达旋转而通过增压机17进行增压。另外，在此不进行外部EGR气体的供给，从而EGR控制阀25被控制为全闭状态。
向燃烧室10供给混合气的供给量被限制为与内部EGR气体的导入量对应，通过增压使进气压上升，从而由进气口6供给到燃烧室10内的空气量以及燃烧量增大，着火性提升。
如图4a所示，以负荷越高越增大电动马达16的转速而增大增压的方式进行控制。
(C)在预先设定的高负荷区域中的运转时，在除了内部EGR气体的供给以及增压之外还进行外部EGR气体的供给时，ECU25控制为打开EGR控制阀22。由此，温度比较低的外部EGR气体经由EGR通路21而导入到进气侧，利用内部EGR气体的供给以及增压而延缓过于良好的着火性，避免过早着火或燃烧不稳定等的异常燃烧。
外部EGR气体量，如图5a所示，以负荷越高越增大的方式进行控制。
这样地进行低负荷时、中负荷时、高负荷时的运转，ECU25监视由温度传感器26检测的进气温度，在进气温度比既定的常温区低的低温时，以及比既定的常温区高的高温时，分别如下地调节发动机1的运转。
首先，在进气温度比既定的常温区低的低温时，如图3b所示，控制可变配气正时机构24，以便将排气阀9的关闭时刻(EVC)向提前角侧调节。由此，增大高温的内部EGR气体量，能够防止燃烧室10内的温度降低，可进行稳定的自着火燃烧。
但是，低负荷时，为了确保新鲜气体量，而使排气阀9的关闭时刻(EVC)的提前角量比进行增压的中负荷时小。进而，在低负荷且发动机转速为预先设定的高转速区域时，使排气阀9的关闭时刻(EVC)与常温时的提前角量相等而进行新鲜气体量的确保。
此外，在除了内部EGR气体的供给以及增压之外还进行外部EGR气体的供给的高负荷且高转速的区域中，为了着火性确保而将排气阀9的关闭时刻(EVC)向提前角侧调节而使内部EGR气体量增大。在高负荷且发动机转速为预先设定的低转速区域中，为了扭矩的确保，如图5b所示，以减少外部EGR气体量的方式控制EGR控制阀22的开度。
另一方面，在进气温度比既定的常温区高的高温时，如图3c所示，以将排气阀9的关闭时刻(EVC)向滞后角侧调节的方式控制可变配气正时机构24。由此，减少高温的内部EGR气体量，能够避免过早着火。
但是，中负荷时，为了弥补由于高进气温度导致的体积效率的低下，使排气阀9的关闭时刻(EVC)的滞后角量比低负荷时大，而使内部EGR气体量减少。进而，在中负荷时使发动机转数提高的中转速区域以及高转速区域中，如图4b所示，使电动马达16的转速增大而使增压上升，从而实现基于密度增加的着火性的确保，并且使燃烧缓慢化而抑制伴随空气量增加的热容量的增加导致的燃烧噪音。
高负荷时，进行和中负荷时大致相同地进行控制，以使排气阀9的关闭时刻(EVC)的滞后角量变大，且使中转速区域以及高转速区域中的增压上升。但是，在燃烧噪音严重的高转速区域中，为了同时实现着火性和燃烧缓慢化，如图5c所示，以增大外部EGR气体量的方式控制EGR控制阀22的开度。即，在高转速/高负荷区域中的运转时，控制增压机17的电动马达16以及EGR控制阀22，以使由温度传感器26检测的进气温度越高越提高增压且增加外部EGR气体量。
如上所述，在本发明中通过并用增压机和内部EGR，可确保与负荷对应的燃料的供给量，并且可扩大能够利用内部EGR的运转区域，即能够扩大能够借助内部EGR进行控制的区域。此外，在使用使燃烧缓慢化的外部EGR时，在高转速/高负荷区域中，可抑制燃烧噪音。特别是对于在高转速/高负荷区域中的进气温度的变化，组装这些机构，从而能够兼顾着火性和燃烧缓慢化，即，可维持适当的着火时刻并可抑制燃烧噪音。
由此，即使从中转速/中负荷区域到达高转速/高负荷区域，也能够实现稳定的预混合压缩自着火燃烧，或者，与进气温度对应的预混合压缩自着火燃烧的控制，能够扩大能够预混合压缩自着火燃烧的运转区域。
在遵循本发明的宗旨的范围中，可变更上述实施方式。例如，在上述实施方式中，燃料为都市燃气，但是也可采用LPG或CNG等其他的气体燃料。此外，也可使用柴油或汽油等液体燃料。作为向进气通路内供给气体燃料的机构，除了缩颈部之外，还可适当选择燃料喷射喷嘴等。此外，作为增压可变型的增压机，不限定于借助电动马达而驱动增压机，例如，也可以使用通过与涡轮机冲撞的排气流而控制转速的所谓的可变叶片式涡轮机。

Claims (7)

1.一种预混合压缩自着火内燃机的控制装置，在燃烧室内将燃料和含氧气体的混合气压缩而使之自着火燃烧，并且在排气上止点的前后设置进气阀和排气阀双方都关闭的密闭期间，从而使已燃气体作为内部EGR气体而残留在燃烧室内，其特征在于，具有：
温度传感器，检测进气温度；
转速传感器，检测内燃机的转速；
负荷传感器，检测内燃机的运转状况而作为负荷信号进行输出；
增压可变型的增压机，配置在进气通路上；
外部EGR机构，令排气通路的排气的一部分作为外部EGR气体而从上述增压机向上游侧的上述进气通路回流；
控制机构，控制上述增压机以及上述外部EGR机构，以便基于来自上述转速传感器以及上述负荷传感器的信号而掌握当下的转速和负荷的大小、在判定为在预先设定的高转速且高负荷区域中运转时，由上述温度传感器检测的进气温度越高越提高增压且越增加外部EGR气体的量。
2.如权利要求1所述的预混合压缩自着火内燃机的控制装置，具有调节上述排气阀的开闭时机的可变配气正时机构，上述控制机构以下述方式控制上述可变配气正时机构，即在由上述温度传感器检测的进气温度比常温低时将上述排气阀的关闭时刻向提前角侧调节、在比常温高时将上述排气阀的关闭时刻向滞后角侧调节。
3.如权利要求2所述的预混合压缩自着火内燃机的控制装置，上述控制机构以下述方式控制上述可变配气正时机构，即在由上述温度传感器检测的进气温度比常温低时，使上述排气阀的关闭时刻的提前角量在预先设定的低负荷区域中的运转时比在预先设定的中负荷区域中的运转时小。
4.如权利要求1所述的预混合压缩自着火内燃机的控制装置，上述控制机构以下述方式控制上述外部EGR机构，即在由上述温度传感器检测的进气温度比常温低且在上述高负荷区域中运转时，减少外部EGR气体的量。
5.如权利要求2所述的预混合压缩自着火内燃机的控制装置，上述控制机构以下述方式控制上述可变配气正时机构，即在由上述温度传感器检测的进气温度比常温高时，使上述排气阀的关闭时刻的滞后角量在预先设定的中负荷区域中的运转时比在预先设定的低负荷区域中的运转时大。
6.如权利要求1所述的预混合压缩自着火内燃机的控制装置，上述外部EGR机构包括：EGR通路，连通上述排气通路和上述进气通路的比上述增压机更靠上游侧；EGR控制阀，配置在上述EGR通路上且用于开闭上述EGR通路，
上述控制机构，通过开闭上述EGR控制阀而调节外部EGR气体的量。
7.如权利要求1所述的预混合压缩自着火内燃机的控制装置，包括：旁通路径，将上述增压机的上游侧和下游侧相互地连通；旁通控制阀，配置在上述旁通路径上且用于开闭上述旁通路径，
上述控制机构，在不进行增压时打开上述旁通控制阀而开放上述旁通路径。
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