CN1249336C - 内燃机的排气循环装置和排气循环方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机的排气循环装置，在其排气通路中装有涡轮机、同时在其吸气通路中装有压缩机的涡轮增压器。在进行排气循环时，压缩机下流侧的吸气通路中形成的开口被打开。由此，因压缩机下流侧的吸气被排放至空气中，降低了在排气通路内的负压，故可使排气通路内的排气压和吸气通路内的负压之间的压力差增大，通过提高排气回流率，从而降低NOx的排放量。

Description

内燃机的排气循环装置和排气循环方法

                              技术领域

本发明是有关内燃机的排气循环装置和排气循环方法，特别是有关降低氮氧化物(以下用NOx表示)排放量的技术。

                              背景技术

过去，广泛采用的排气循环(以下称EGR)装置是，将内燃机的一部分排气返回吸气系统，这种排气作为一种惰性气体会降低燃烧温度，以降低NOx的排放量。

另外，由于近年来车辆的轻型化、降低燃料费和高性能化的要求，已大量地出现了配有作为一种增压器的涡轮增压器的内燃机。尤其是柴油发动机比汽油发动机省油、但由于动力小、不能进行高速转动，所以为克服上述缺点，利用配有涡轮增压器而产生的高扭矩是非常有效果的。

然而，由于EGR装置是利用排气通路内的排气压和吸气通路内的负压差产生的压力差，把一部分排气返回到吸气系统而构成的，所以配有涡轮增压器的内燃机存在下面的问题，即、涡轮增压器在高效工作的时候，安装在吸气通路上的压缩机的出口压力(负压)比安装在排气通路上的涡轮机的入口压力(排气压)高，根据压力差，一部分的排气无法返回吸气系统。因此，如日本专利特开平10-266866号公报提出的技术方案是，在压缩机的下流侧设置节气阀，低负荷运转时关闭节气阀，使吸气通路内的负压上升(即降低吸气压力)，从而提高EGR率。

尽管如此，从现有的技术来看，用节气阀能增大压力差，但根据发动机运动状态，有时节气阀的打开程度极小，会发生发动机动力不足和排气性能下降等性能问题。另外，由于可充分确保压缩机出口压力和涡轮机入口压力的压力差的运转范围很小，要进一步降低排气中的NOx是非常困难的。

所以，本发明鉴于以上存在的问题，提供一种能增大排气通路内的排气压和吸气通路内的负压的压力差，通过提高EGR率，以减少NOx排气量的内燃机的排气循环装置和排气循环方法。

                               发明内容

为达到上述目的，本发明的装置是一种配置有在其排气通路中装有涡轮机、同时在其吸气通路中装有压缩机的涡轮增压器的内燃机排气循环装置。其特点是，该内燃机排气循环装置是由对上述涡轮机上流侧的排气通路与上述压缩机下流侧的吸气通路连通用的开闭排气循环通路进行开闭的通路开闭装置、对上述压缩机下流侧的吸气通路处形成的开口进行开闭的开口开闭装置、检测发动机运转状态的运转状态检测装置、以及含有微电脑的控制单元构成的，上述控制单元是通过由上述运转状态检测装置检测到的发动机运转状态，来判断排气是否要进行循环，判定该排气需要循环时，用上述通路开闭装置打开上述排气循环通路，同时用上述开口开闭装置打开上述开口来进行控制。

另一方面，本发明是一种配置有在其排气通路中装有涡轮机、同时在其吸气通路中装有压缩机的涡轮增压器的内燃机的排气循环方法，其特点是：具备基于发动机运转状态来判定是否进行排气循环的判定系统以及在该判定系统判定需要进行排气循环时、打开上述涡轮机上流侧的排气通道和上述压缩机下流侧的吸气通道连通用的排气循环通道、同时打开上述压缩机下流侧的吸气通路处形成的开口的开闭系统。

按上述结构，基于发动机运动状态来判定是否进行排气循环，若判定为进行排气循环时，则打开涡轮机上流侧的排气通道和压缩机下流侧的吸气通道连通用的排气循环通道，同时打开压缩机下流侧的吸气通路处形成的开口。于是，若开口被打开，压缩机下流侧的吸气被排放进大气中，吸气通路内的负压降低。另一方面，由于排气通道内的排气压没有明显降低，使得排气通道内的排压和吸气通道内的负压的压力差增大。因此，多余的的排气经排气循环通路回流进吸气通路，通过提高排气回流率，以降低NOx的排放量。

这里，希望能形成吸气通路，把从上述开口得到的吸气返回到上述压缩机上流侧的通气通路。

按上述结构，从吸气通路形成的开口取出的吸气，通过吸气返回通路回到压缩机上流侧的吸气通路，经压缩机压缩过的吸气而被再次利用。因此，可防止涡轮增压机的低效率，限制发动机动力下降。此外，能明显改善低负载区的燃料消耗，在其他区域也能控制燃料的消耗。

另外，希望上述开口的程度，能基于发动机运转的状态分多档次地进行控制。

按上述结构，因吸气通路上形成的开口程度基于发动机运转状态而分多档次地进行控制，所以能很好地控制排气通路内的排压和吸气通路内的负压的压力差，在防止发动机运转性和排气性下降的同时，可有效地运行排气循环。

并且，希望上述开口采用由开闭器、碟形阀和提升阀中的至少一个构成的开口开闭装置来进行开闭。

按上述结构，开口开闭装置因为至少由一般的开闭器、碟形阀和提升阀中的1个所构成，所以在保证其可靠性和持久性的同时，能最大限度地控制成本的上升。

本发明的其他目的和特点可在结合附图的实施例说明中得以明白。

                            附图说明

图1是体现本发明有关EGR技术的柴油发动机的整体结构图。

图2是增压回程阀门的第1实施例的结构图。

图3是增压回程阀门的第2实施例的结构图。

图4是增压回程阀门的第3实施例的结构图。

图5是增压回程阀门的第4实施例的结构图。

图6是EGR装置的控制内容的第1实施例的流程图。

图7是EGR控制图的说明图。

图8是因增压回程引起的负压降低的说明图。

图9是因增压回程引起的NOx和实际的燃料费改进的说明图。

图10是因增压回程引起的NOx和粒状物质改进的说明图。

图11是EGR装置的控制内容的第2实施例的流程图。

图12是目标差压控制图的说明图。

                            具体实施方式

下面，对照附图对本发明进行详细说明。

图1是体现本发明有关EGR技术的柴油发动机的整体结构图。

构成涡轮增压器的压缩机16和涡轮机18被分别安装在柴油发动机10的吸气通路12和排气通路14中。涡轮机18吸收流经排气通路14的排气能量来驱动与轴20连为一体的压缩机16。这样，经空气净化器22除去灰尘等杂物后的吸气，通过安装在吸气通路12中的压缩机16被压缩，呈一种超压状态，然后被导入柴油发动机10的燃烧室。此时，被压缩机16压缩的吸气由于是绝热压缩，吸气温度上升，降低了填充效率，所以为降低压缩后的吸气温度，在压缩机16下流侧的吸气通路12中安装了内置制冷机24。

此外，涡轮机18上流侧的排气通路14和内置制冷机24下流侧的吸气通路12(即压缩机16下流侧的吸气通路12)经EGR通路26而相互连接。为控制EGR的量，在EGR通路26安装了能开闭EGR通路26的EGR阀门28。EGR阀门28通过内置微电脑的控制单元30驱动控制的EGR控制螺线管阀门32，利用图中未示的空气存储罐提供的空气进行开闭驱动。即、EGR控制螺线管阀门32打开时，空气存储罐向EGR阀门28提供空气，EGR通路26被打开，使得EGR得以运行。另一方面，EGR控制螺线管阀门32关闭时，空气存储罐向EGR阀门28提供的空气被阻断，EGR通路26被关闭，使得EGR被终止。另外，EGR阀门28和EGR控制螺线管阀门32构成了通路开闭装置。

并且，安装在吸气通路12中的压缩机16的上流侧和下流侧是经作为吸气返回通路的连通路34而连通的。在连通路34中，安装了增压回程阀门36，它至少可在全开和全闭的开口状态间进行切换。增压回程阀门36是通过控制单元30控制的的促动器38来控制开口的幅度。另外，增压回程阀门36和促动器38构成了开口开闭装置。

增压回程阀门36可以采用各种结构，以下列举几个具体的结构例子。但增压回程阀门36不限定于以下的结构。

如图2所示的第1实施例中，在面对压缩机16下流侧的连通路34的一端，安装了对吸气通路12内壁上形成的开口(图中未显示)进行开闭的节气门40。为了使节气门40的开口幅度至少能全开和全闭，最好能对全开和全闭之间的状态进行多档次地控制，用促动器38来驱动控制。另外，如图3所示的第2实施例，也可用安装在连通路34中间的蝶形阀42代替节气门40，和第1实施例一样，用促动器38来驱动控制开口的幅度。

并且，在控制第1实施例中的节气门40全开和全闭的情况下，如图4所示的第3实施例，也可在增加节气门40的同时，在连通路34的中间安装蝶形阀42。这时，一方面节气门40由促动器38a进行全开和全闭的驱动控制，另一方面，蝶形阀42由促动器38b在全开和全闭的范围内进行多档次的驱动控制。即、在第3实施例中，使用节气门40进行连通路34的开闭，使用蝶形阀42进行连通路34的开口幅度控制。因此，与只用蝶行阀42开闭连通路34的结构相比较，使用连通路34和谍形阀42的加工精度的要求被降低，结果是有可能以低廉的价格构成增压回程阀门36。

此外，如图5所示的第4实施例，也可在面对压缩机16下流侧的连通路34的一端安装有提升阀44，例如EGR阀28，通过双重控制能多档次地控制它的开口幅度。

这样，若增压回程阀门36使用一般的节气门40、蝶形阀42和提升阀44，则在保证可靠性和持久性的同时，能最大限度地控制成本的上升。

于是，增压回程阀门36可与EGR阀28连动控制。即、EGR运行时，被压缩机16压缩的超压状态的吸气经连通路34返回到压缩机16的上流侧。因此，吸气通路12内的负压下降，排气通路14内的排压和吸气通路12内的负压的压力差增大。以下将其动作称为“增压返回”。

为了控制EGR装置，作为一种运转状态检测装置，将检测发动机负荷L的负荷传感器46、检测发动机转动速度N的转动速度传感器48、检测压缩机16下流侧的负压Pb的负压传感器50和检测涡轮机18上流侧的排压Pe的排压传感器52的输出分别输入控制单元30。这样，控制单元30按照这些传感器的各种信号，按照后述的处理对EGR阀门28和增压回程阀门36进行控制。并且，控制单元30的判定步骤和开闭步骤用软件来实现。

图6表示的是为了控制增压回程阀门36的全开和全闭、在控制单元30中的软件执行的EGR装置的控制内容。上述控制每隔所定的时间反复执行。

步骤1(图中用“S1”简称，以下类同)中，发动机转动速度N和发动机负荷L分别从转动速度传感器48和负荷传感器46读出。

步骤2中，对照如图7所示的EGR控制图，判定由发动机转动速度N和发动机负荷L决定的发动机运转状态是否在运行EGR的区域(以下称“EGR区域”)。另外，图7所示的EGR控制图中，通过EGR控制螺线管阀门32的控制内容(ON/OFF)来判定发动机运转状态是否在EGR区域。

步骤3中，执行对应发动机转动状态的分支处理，若发动机运转状态在EGR区域，则进入步骤4(YES)，若发动机运转状态不在EGR区域，则进入步骤5(NO)。另外，步骤2和步骤3的处理对应判定步骤。

步骤4中，实施运行EGR的控制。即、在为打开连通路34而控制促动器38的同时，为打开由EGR阀28控制的EGR通路26，EGR控制螺线管阀门32被置于ON。另外，步骤4的处理对应开闭步骤。

步骤5中，实施EGR终止EGR的控制。即、在为关闭连通路34而控制促动器38的同时，为关闭由EGR阀28控制的EGR通路26，EGR控制螺线管阀门32被置于OFF。

按上述已说明的步骤1到步骤5的处理过程，若发动机运转状态在EGR区域，则打开EGR通路26的同时，打开由增压回程阀门36控制的连通路34。这样，连通路34一打开，如图8所示，压缩机16下流侧的吸气返回至压缩机16的上流侧，一方面使负压Pb降低，另一方面由于排气通路14内的排压Pe没有象负压Pb一样降低，所以负压Pb和排压Pe的压力差ΔP变大。因此，与现有的EGR装置相比，在扩大EGR率和EGR的可能区域的同时，大量的排气经EGR通路26被循环至吸气通路12，随EGR率的上升而减少NOx的排气量。并且，由于通过增压返回产生了为提高EGR率的压力差ΔP，所以可以减少单位时间内的吸气量，通过燃料喷射时期的提前可改善燃料的消耗。

于是，按上述结构的EGR装置，如图9和图10所示，在13模式中，不仅NOx排出量大约被降低26％，而且还可在改善低负荷时的实测燃料消耗(BSFC)的同时，降低约56％的颗粒物质(PM)的排出量。

图11表示的是，为在全开和全闭的范围内多档次地控制增压回程阀门36、在控制单元30中的软件执行的EGR装置的控制内容。

步骤11中，发动机转动速度N和发动机负荷L分别从转动速度传感器48和负荷传感器46读出。

步骤12中，对照如图7所示的EGR控制图，来判定由发动机转动速度N和发动机负荷L确定的发动机运转状态是否在EGR区域。

步骤13中，按照发动机运转状态执行分支处理。若发动机运转状态在EGR区域，则进入步骤14(YES)，若发动机运转状态不在EGR区域，则进入步骤23(NO)。另外，步骤12和步骤13的处理对应判定步骤。

步骤14中，开始运行EGR。即、为打开由EGR阀门28控制的EGR通路26，EGR控制螺线管阀门32被置于ON。

步骤15中，对照图12所示的目标压力差控制图，以发动机转动速度N和发动机负荷L为基准，设定目标压力差Pr和最低负压Pw。

步骤16中，负压Pb和排压Pe分别从负压传感器50和排压传感器52读入。

步骤17中，以读入的负压Pb和排压Pe为基准，按下式计算压力差ΔP。

ΔP＝Pe-Pb

步骤18中，判定压力差ΔP是否比目标压力差Pr大。若压力差ΔP比目标压力差Pr大，则进入步骤19(YES)，若压力差ΔP比目标压力差Pr小，则进入步骤21(NO)。

步骤19中，判定压力差ΔP是否小于目标压力差Pr和容许值W之和。这里的容许值W是所谓的限定值，以防止压力差ΔP比需要的压力差大。据此可防止排气性能的下降。于是，若压力差ΔP小于Pr和W之和，则判定为压力差ΔP已被控制在合适值上，返回到步骤11(YES)。另一方面，若压力差ΔP大于Pr和W之和，则判定为压力差ΔP太大，进入步骤20(NO)。

步骤20中，为降低压力差ΔP，增压回程阀门36的开口幅度减小1个档次。此后，返回步骤16，继续进行压力差控制。

在执行实施压力差ΔP比目标压力差Pr压力差小时的处理即步骤21中，判断负压Pb是否比最低负压Pw大。若负压Pb比最低负压Pw大，则进入步骤22(YES)，若负压Pb比最低负压Pw小，则返回步骤11(NO)。

步骤22中，为升高压力差ΔP，增压回程阀门36的开口幅度增大1个档次。此后，返回步骤16，继续进行压力差控制。

另外，步骤14到步骤22的处理对应开闭步骤。

在执行发动机运转区域不在EGR区域时的处理即步骤23中，执行终止EGR的控制。即、为了全闭连通路34，在控制促动器38的同时，为关闭由EGR阀门28控制的EGR通路26，EGR控制螺线管阀门32被置于OFF。

按上述已说明的步骤11到步骤23的处理，在如图6所示由EGR控制的作用和效果的基础上，还能对应发动机运转状态，正确地控制压力差ΔP。即，由于压力差ΔP被限定在下列公式的范围内，所以在防止发动机运转性和排气性能降低的同时，可有效地运行EGR，并可有效地降低NOx的排出量。

Pr(目标压力差)≤ΔP(压力差)≤Pr+W(目标压力差+容许值)

另外，若负压Pb小于对应发动机运转状态设定的最低负压，由于差压控制无法进行，所以还可防止从发动机排出的粒状物(PM)的排出量增加。

另外，上述实施例中，运行EGR时，压缩机16下流侧的吸气返回到它的上流侧，但也可将压缩机16下流侧的吸气排放到大气中。此时，因为压缩机16下流侧的吸气被排放进大气中，降低了吸气通路12的负压，增大了排气通路14内的排压Pe和吸气通路12内的负压之间的压力差ΔP，可达到与上述实施例同样的效果。即、上述结构是本发明的最基本性结构。

当然，本发明采用的EGR装置和EGR方法也可应用于汽油发动机等。

工业中的应用

按上述说明，本发明采用的EGR装置和EGR方法，因增大排气通路内的排压和吸气通路内的负压之间的压差，通过提高EGR率，可降低NOx的排出量，所以是极其有用的。

Claims (4)

1.一种内燃机的排气循环装置，设有在其排气通路中装有涡轮机、同时在其吸气通路中装有压缩机的涡轮增压器，其特征是，包括：

对连通所述涡轮机上流侧的排气通路和所述压缩机下流侧的吸气通路的排气循环通路进行开闭的开闭装置；

对所述压缩机下流侧的吸气通路上形成的开口进行开闭的节气门；

设置在使吸气从所述开口返回到所述压缩机的上流侧的吸气通道的吸气返回通道上的蝶形阀，所述蝶形阀的开度可进行多档次的控制；

检测发动机运行状态的运行状态检测装置；以及

内置微电脑的控制单元，

上述控制单元根椐上述运行状态检测装置测出的发动机运行状态来判定是否进行排气循环，在判定为进行该排气循环时，所述控制单元通过所述通路开闭装置打开所述排气循环通路，同时通过所述节气门打开所述开口，并根据测出的发动机运行状态，控制所述蝶形阀的开度。

2.如权利要求1所述的内燃机的排气循环装置，其特征是，进一步包括，

检测所述压缩机下游侧的负压的负压检测装置；

检测所述涡轮机上游侧的排压的排压检测装置；

所述控制单元控制所述蝶形阀的开度，使得所述排压检测装置测出的排压和所述负压检测装置测出的负压之间的压力差为与发动机运行状态对应的目标压力差。

3.一种设有在其排气通路中装有涡轮机、同时在其吸气通路中装有压缩机的涡轮增压器的内燃机的排气循环方法，其特征是，包括：

根椐发动机运行状态而判定是否要进行排气循环的判定步骤；

以及开闭步骤，在该步骤，在由该判定步骤判定为进行排气循环时，打开连接所述涡轮机上流侧的排气通路和所述压缩机下流侧的吸气通路的排气循环通路；同时打开所述压缩机下流侧的吸气通路上形成的开口，并对设置在使吸气从所述开口返回到所述压缩机上流侧的吸气通道的吸气返回通路上的蝶形阀的开度，根据发动机运行条件，进行多档次的控制。

4.如权利要求3所述的内燃机的排气循环方法，其进一步特征是，控制所述蝶形阀的开度，使得所述排压检测装置检测的排压和所述压缩机下流侧的负压之间的压力差达到与发动机运行状态对应的目标压力差。

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