CN103608560A - 带有增压器的内燃机的进气装置 - Google Patents

Abstract

涡轮增压器（3）的压缩机（5）位于空气流量计（12）和节流阀（13）之间。EGR通路（21）在压缩机（5）上游的合流点（22）处与进气通路（10）连接。以在最大增压压力（P_b）时包含EGR气体在内的新气不会吹回至空气流量计（12）中的方式，将从空气流量计（12）至合流点（22）为止的进气通路容积（V₁）、从压缩机（5）至节流阀（13）为止的进气通路气体（V₂）、以及在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力（P_b），设定为下述的（1）式的关系。【式1】

Description

带有增压器的内燃机的进气装置

技术领域

本发明涉及一种具有再循环阀的带有增压器的内燃机的进气装置，特别涉及一种从压缩机上游导入EGR气体的方式的带有增压器的内燃机的进气装置。

背景技术

如专利文献1公开所示，已知在增压器特别是具有涡轮增压器的内燃机的进气装置中具有再循环阀的结构，该再循环阀在节流阀从增压状态紧急关闭的情况下等，将增压压力从压缩机下游向压缩机上游释放。另外，作为排气回流（EGR）装置，如专利文献1所示，已知下述结构：将从排气系统获取的EGR气体在压缩机上游侧导入至新气中。

如上所述，在压缩机上游侧将EGR气体导入至新气的带有增压器的内燃机中安装有再循环阀，该再循环阀将增压压力从压缩机下游向压缩机上游释放，在该结构中，在进行排气回流的运行条件下，在再循环阀打开时，包含EGR气体在内的新气会经由再循环阀在进气通路内向上游侧逆流。因此，存在空气流量计被EGR气体成分污损的问题。

专利文献1：日本特开2007－278110号公报

发明内容

在本发明所涉及的带有增压器的内燃机的进气装置中，增压器的压缩机位于空气流量计和节流阀之间，并且具有再循环阀，该再循环阀在节流阀关闭时，将压缩机下游的压力向压缩机上游释放，并且，将EGR气体导入至进气系统的EGR通路与上述压缩机上游连接。

并且，为了在上述再循环阀打开时，压缩机下游的包含EGR气体在内的新气不会到达至空气流量计，而将从上述空气流量计至上述EGR通路的合流点为止的进气通路容积（V₁）、从上述压缩机至上述节流阀为止的进气通路容积（V₂）、以及在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力（P_b），设定为规定的关系。

详细地说，将从上述空气流量计至上述EGR通路的合流点为止的进气通路容积（V₁）、从上述压缩机至上述节流阀为止的进气通路容积（V₂）、以及在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力（P_b），设定为下述的（1）式的关系。

【式1】

$V_1>V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×{\left(\frac{P_1}{P_b}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(1\right)$

其中，P₁为压缩机上游侧的压力，κ为压缩机下游的包含EGR气体在内的新气的比热容比。

或者，作为（1）式的替代，将从上述空气流量计至上述EGR通路的合流点为止的进气通路容积（V₁）、从上述压缩机至上述节流阀为止的进气通路容积（V₂）、以及在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力（P_b），设定为下述的（2）的关系。

【式2】

$V_1>V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×\frac{T_3}{T_2}....\left(2\right)$

其中，P₁为压缩机上游侧的压力，T₂为上述最大增压压力（P_b）时的压缩机下游的气体温度，T₃为通过再循环阀向压缩机上游释放时的气体温度。

即，再循环阀打开时的气体的逆流，是由于存在于从压缩机至节流阀为止的进气通路容积V₂中的被高压增压的气体（包含EGR在内的新气）与再循环阀的开放相伴进行膨胀而产生的。压缩机上游的压力大约为大气压力，因此基本上增压压力越高，逆流的气体量越大，如果其超过从空气流量计至EGR通路的合流点为止的进气通路容积V₁（该容积V₁是再循环阀开放前不包含EGR气体的仅新气的空间），则包含EGR气体的气体到达至空气流量计。由此，以与在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力P_b相对应的方式，设定从空气流量计至EGR通路的合流点为止的进气通路容积V₁相对于从压缩机至节流阀为止的进气通路容积V₂的大小（或者相反地，进气通路容积V₂相对于进气通路容积V₁），则包含EGR气体的气体不会到达至空气流量计，能够可靠地防止该污损。

根据本发明，通过适当地设定进气通路容积，以使得与在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力相对应，从而能够在进行排气回流期间可靠地防止在再循环阀打开的情况下空气流量计被EGR气体污损。

附图说明

图1是将本发明所涉及的内燃机的进气装置的一个实施例与内燃机的排气系统一起示出的结构说明图。

图2是表示最大增压压力和吹回气体体积之间的关系的特性图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的一个实施例进行详细说明。

图1是表示具有本发明所涉及的进气装置的内燃机1的进气/排气系统的整体结构的结构说明图，在作为汽油机的内燃机1的排气通路2中，配置涡轮增压器3的排气涡轮4，在其下游侧配置有例如使用三元催化剂的催化转换器6。在排气通路2的更下游侧设置有未图示的排气消音器，经由该排气消音器，排气通路2向外部开放。上述排气涡轮4具有用于进行增压压力控制的公知的废气旁通阀7。另外，内燃机1的结构例如为直喷型，对于每个气缸均具有向缸体内喷射燃料的未图示的燃料喷射阀。

在内燃机1的进气通路10中，从上游侧开始依次配置有空气滤清器11、空气流量计12、节流阀13，上述涡轮增压器3的压缩机5配置在上述空气流量计12和上述节流阀13之间。由此，进气通路10能够大致划分为与压缩机5相比靠上游的压缩机上游侧通路部分10a、压缩机5和节流阀13之间的压缩机下游侧通路部分10b、节流阀13和各气缸之间的节流阀下游侧通路部分10c。另外，在本实施例中，在节流阀下游侧通路部分10c中安装有例如水冷式或油冷式的中间冷却器14，该中间冷却器14的下游侧作为进气歧管而向各气缸分支。另外，中间冷却器14也可以是空冷式。

在上述进气通路10中还设置有再循环通路16，该再循环通路16将上述压缩机5的上游侧和下游侧之间连通，在该再循环通路16中设置有再循环阀17。该再循环阀17例如具有响应节流阀13前后的压力差而进行动作的机械式致动器，或者响应来自未图示的控制单元的控制信号而进行动作的电气式致动器，例如，在节流阀13关闭时，基于压缩机下游侧通路部分10b内的压力上升而将再循环通路16开放，以进气循环的方式将压缩机下游侧通路部分10b内的压力释放至压缩机上游侧通路部分10a中。上述再循环通路16将压缩机下游侧通路部分10b的靠压缩机5的位置和压缩机上游侧通路部分10a的靠压缩机5的位置连接。

另外，构成排气回流装置的EGR通路21从排气通路2的催化转换器6的下游侧开始分支，其前端在合流点22处与进气通路10的压缩机上游侧通路部分10a连接。该合流点22位于压缩机上游侧通路部分10a的相对下游侧即靠近压缩机5的位置，但与再循环通路16的合流点20相比位于上游侧。在上述EGR通路21中安装有进行EGR气体的冷却的水冷式或者油冷式的EGR气体冷却器23，在其下游侧，为了实现目标排气回流率而安装有控制排气回流量的排气回流控制阀24。

在上述的结构中，在包含增压区域以及非增压区域这两者在内的应进行排气回流的规定运行条件下，EGR气体经由排气回流控制阀24导入至压缩机5的上游侧。包含该EGR气体在内的新气在增压区域内被压缩机5加压，通过节流阀13以及中间冷却器14向内燃机1的各气缸供给。如果在上述的增压区域中，例如与驾驶员的加速器踏板操作相伴而节流阀13紧急关闭，则与其联动而再循环阀17打开，压缩机下游侧通路部分10b内的成为高压的新气向压缩机上游侧通路部分10a释放。由此，即使压缩机5由于转子惯性而继续旋转，喷出的新气也经由再循环通路16循环，避免由于压缩机5的喘振而导致异常声音的发生等。

另外，如果在进行排气回流的条件下如上所述与节流阀13的关闭动作相伴而再循环阀17打开，则处于相对高压的压缩机下游侧通路部分10b内的包含EGR气体在内的新气经由再循环阀17膨胀，向压缩机上游侧通路部分10a逆流。如果如上所述逆流的包含EGR气体在内的新气到达至空气流量计12，则空气流量计12被EGR气体成分污损，因此不优选。

在这里，在本发明中，为了不使包含EGR气体在内的新气到达至空气流量计12，而将压缩机上游侧通路部分10a的进气通路容积特别是不包含EGR气体而仅存在新气的从空气流量计12至EGR通路21的合流点22为止的区间的容积V₁、存在被加压的包含EGR气体的新气的压缩机下游侧通路部分10b（从压缩机5至节流阀13）的进气通路容积V₂、和在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力P_b（kPa），形成为如下述（1）式所示的关系。

【式1】

$V_1>V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×{\left(\frac{P_1}{P_b}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(1\right)$

其中，P₁是压缩机5上游侧的压缩机上游侧通路部分10a处的压力（kPa），κ是存在于压缩机5下游的压缩机下游侧通路部分10b内的包含EGR气体在内的新气的比热容比。另外，上游侧压力P₁实质上也可以视为大气压力。

或者，该关系可以利用上述最大增压压力P_b时的压缩机下游侧通路部分10b内的气体温度T₂（°K）、和通过上述再循环阀17向压缩机5上游释放时的气体温度T₃（°K），以下述（2）式所示表示。

【式2】

$V_1>V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×\frac{T_3}{T_2}....\left(2\right)$

上述气体温度T₂能够基于压缩机5的压缩机效率η_comp（%），利用下述（3）式求出。

【式3】

$T_2>T_1+\frac{T_2^{\′}{T}_1}{\mathrm{\ηcomp}/100}....\left(3\right)$

其中，T₂’是由上述压缩机5从压缩机5上游侧的压力P₁压缩至最大增压压力P_b时的理论绝热压缩后温度（°K）。

另外，上述气体温度T₃能够通过下述（4）式求出。

【式4】

$T_3=T_2\×{\left(\frac{1}{{\mathrm{\π}}_c}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(4\right)$

上述的（1）式的右边的第一项基本上相当于处于增压压力P_b时的气体膨胀至上游侧压力P₁，通过再循环阀17向压缩机上游侧通路部分10a溢出的剩余的体积，第二项是与气体的温度变化相伴的校正项。另外，在逆流时，存在于压缩机上游侧通路部分10a（特别是从空气流量计12至EGR通路21的合流点22的区间）的气体首先逆向地流入空气流量计12，但该部分气体是不包含EGR气体的新气，因此不认为是污损的原因。由此，在这里，在再循环阀17打开时，存在于压缩机下游侧通路部分10b内的气体（体积V₂、压力P_b）的膨胀成为研究的对象。

即，根据气体的绝热变化的一般式，如果将气体的压力设为P（kPa），将体积设为V（m³），将温度设为T（°K），将比热容比设为κ，将变化前的状态以下标α表示，将变化后的状态以下标β表示，则根据“P×V^κ＝恒定”的关系，

P_α×V_α ^κ＝P_β×V_β ^κ，

因此，如下述的（5）式所示。

【式5】

$\frac{V_{\mathrm{\α}}}{V_{\mathrm{\β}}}={\left(\frac{P_{\mathrm{\β}}}{P_{\mathrm{\α}}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\κ}}}....\left(5\right)$

另外，根据“T×V^κ－1＝恒定”的关系，

T_α×V_α ^κ－1＝T_β×V_β ^κ－1

T_β＝T_α×（V_α/V_β）^κ－1

根据上述的（5）式，得到下述的（6）。

【式6】

$T_{\mathrm{\β}}=T_{\mathrm{\α}}\×{\left(\frac{P_{\mathrm{\β}}}{P_{\mathrm{\α}}}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(6\right)$

另一方面，存在于压缩机下游侧通路部分10b内的增压压力Pb的体积V₂的气体膨胀至压力P₁的情况下的剩余的气体量，如上述的（1）式的右边的第1项所示，成为V₂×{（P_b－P₁）/P₁}，但其为增压条件的温度T₂下的体积，因此再循环阀17打开后的温度T₃时的气体的体积变为（T₃/T₂）倍。

即，通过再循环阀17而溢出的剩余气体（吹回气体）的体积V_flow，如上述的（2）公式的左边所示，

V_flow＝V₂×{（P_b－P₁）/P₁}×（T₃/T₂）。

在这里，根据上述的（6）式，气体温度T₃为，

【式7】

$T_3=T_2\×{\left(\frac{P_1}{P_b}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(7\right)$

因此，如果将其代入，则成为

【式8】

$V_{\mathrm{flow}}=V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×{\left(\frac{P_1}{P_b}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(8\right).$

由此，为了使逆流的气体不会到达至空气流量计12，必须使至空气流量计12的通路的体积V₁超过上述的吹回气体体积V_flow，因此必须利用上述的（1）式的关系。

即，如图2所示，吹回气体体积V_flow是对应于此时的增压压力P_b而确定的，因此，如果设定通路体积V₁以使其超过进行EGR导入的运行条件下的与最大增压压力P_b相对应的吹回气体体积V_flow，则空气流量计12不会被EGR气体污损。

上述气体温度T2如上所述能够利用上述的（3）式，基于压缩机5的压缩机效率η_comp而求出。

即，如果将压缩机5上游的气体温度设为T₁，将利用压缩机5从压力P₁压缩至最大增压压力P_b时的理论绝热压缩后温度设为T₂’，则根据上述（6）式，温度T₂’如下述（9）式所示。

【式9】

$T_2^{\′}=T_1\×{\left(\frac{P_b}{P_1}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(9\right)$

在这里，如果将压力比设为π_c（＝P_b/P₁），将理论绝热压缩后温度T₂’和气体温度T₁之间的差设为ΔT（＝T₂’－T₁），将压缩机效率设为η_comp（%），则气体由于压缩导致的温度上升为，

ΔT/（η_comp/100）

因此，压缩后的气体温度T₂为

【式3】

$T_2>T_1+\frac{T_2^{\′}{T}_1}{\mathrm{\ηcomp}/100}....\left(3\right)$

另外，上述气体温度T₃能够从上述的（6）式的关系中利用π_c，如（4）式所示表示。

【式4】

$T_3=T_2\×{\left(\frac{1}{{\mathrm{\π}}_c}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(4\right)$

并且，如果将最大增压压力P_b设为180kPa，将压缩机上游侧压力P₁设为100kPa，将比热容比κ设为1.4，则上述的（1）式的右边的系数大约为0.67。

因此，只要简单地以满足下述关系的方式设定通路体积V₁和通路体积V₂，就能够实质上避免由于逆流导致的空气流量计12的污损。

V₁＞0.65×V₂

另外，在上述实施例中，对作为增压器而使用将压缩机5和排气涡轮4同轴地直接连结的涡轮增压器3的例子进行了说明，但本发明不限定于上述的涡轮增压器，只要是具有再循环阀的增压器即可，任意形式的增压器均能够同样地适用。

Claims (5)

1.一种带有增压器的内燃机的进气装置，其使增压器的压缩机位于空气流量计和节流阀之间，并且具有再循环阀，该再循环阀在节流阀关闭时，将压缩机下游的压力向压缩机上游释放，并且，将EGR气体导入至进气系统的EGR通路与上述压缩机上游连接，

在所述带增压器的内燃机的进气装置中，

将从上述空气流量计至上述EGR通路的合流点为止的进气通路容积V₁、从上述压缩机至上述节流阀为止的进气通路容积V₂、以及在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力P_b，设定为下述式子的关系，

【式1】

$V_1>V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×{\left(\frac{P_1}{P_b}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(1\right)$

其中，P₁为压缩机上游侧的压力，κ为压缩机下游的包含EGR气体在内的新气的比热容比。

2.一种带有增压器的内燃机的进气装置，其使增压器的压缩机位于空气流量计和节流阀之间，并且具有再循环阀，该再循环阀在节流阀关闭时，将压缩机下游的压力向压缩机上游释放，并且，将EGR气体导入至进气系统的EGR通路与上述压缩机上游连接，

在所述带增压器的内燃机的进气装置中，

将从上述空气流量计至上述EGR通路的合流点为止的进气通路容积V₁、从上述压缩机至上述节流阀为止的进气通路容积V₂、以及在进行EGR导入的运行条件下的最大增压压力P_b，设定为下述式子的关系，

【式2】

$V_1>V_2\×\left(\frac{P_b-P_1}{P_1}\right)\×\frac{T_3}{T_2}....\left(2\right)$

其中，P₁为压缩机上游侧的压力，T₂为上述最大增压压力P_b时的压缩机下游的气体温度，T₃为通过再循环阀向压缩机上游释放时的气体温度。

3.根据权利要求2所述的带有增压器的内燃机的进气装置，其中，

上述气体温度T₂是基于压缩机效率η_comp，利用下述式子求出的，

【式3】

$T_2>T_1+\frac{T_2^{\′}{T}_1}{\mathrm{\ηcomp}/100}....\left(3\right)$

其中，T₂’是由压缩机从压缩机上游侧的压力P₁压缩至最大增压压力P_b时的理论绝热压缩后温度。

4.根据权利要求2所述的带有增压器的内燃机的进气装置，其中，

上述气体温度T₃通过下述式子求出

【式4】

$T_3=T_2\×{\left(\frac{1}{{\mathrm{\π}}_c}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(4\right)$

其中，π_c是压缩机的压力比P_b/P₁。

5.根据权利要求3所述的带有增压器的内燃机的进气装置，其中，

上述气体温度T₃通过下述式子求出，

【式4】

$T_3=T_2\×{\left(\frac{1}{{\mathrm{\π}}_c}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}-1}{\mathrm{\κ}}}....\left(4\right)$

其中，π_c是压缩机的压力比P_b/P₁。

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