CN1376853A - 带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机及其控制方法 - Google Patents

带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

为了使火花点火缸内喷射发动机和具有涡轮增压器和催化剂的发动机中排气控制最佳化,研究了副催化剂和涡轮增压器和分流排气通路的配置,通过设置控制阀用一个控制阀就可以获得最佳的排气控制,另外,通过减少涡轮增压器的容量,将动作区域位移到低容量侧,与成层燃烧的区域一致,通过增加成层区域的空气量,扩大了成层运转区域。因此,在发动机起时,可以进行主催化剂的早期暖机,排气被净化,同时,由于增加了成层区域的空气量,成层区域扩展到高输出侧,燃耗性能提高。

Description

带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机及其控制方法
所属技术领域
本发明涉及一种带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机及其控制方法，特别涉及一种排气通路的控制机构及方法。
背景技术
火花点火缸内喷射发动机因为直接向气缸内喷射燃料，在点火火花塞附近聚集燃料并使其燃料燃烧，整体上可进行成为贫油空燃比的成层燃烧。但是在是自然供气的发动机时，由于可吸入气缸内的空气量少、可成层运转的范围窄，不能获得充分的燃耗性能提高的效果。另外，在过去的火花点火缸内喷射发动机上组合了涡轮增压器和催化剂(副催化剂和主催化剂)的装置在专利3090536号中为人所知。
为了提高发动机起动时的净化性能，作为排气净化措施，一般在设在车体的底板下的主催化剂之外，还在发动机附近附加辅助主催化剂的副催化剂。但是，在设置涡轮增压器时，有与该副催化剂干涉，从而相互使各自的性能降低的问题。作为其对策，如专利3090536号所揭示的那样，有设置切换各自的排气通路的阀的方法，但是，有阀的数量多，构造和控制复杂的问题。另外，在过去的火花点火缸内喷射发动机中，也有不适合涡轮增压机的动作区域和成层燃烧区域的问题。
发明的概述
本发明研究了分流副催化剂和涡轮增压器的涡轮和涡轮的旁通排气通路的配置，将控制阀做成一个，构造及控制简单化。
另外，通过使涡轮增压器的容量减小，将作动区域位移到低容量侧，与成层燃烧的区域一致，增加成层区域中的空气量，由此，扩大了成层运转区域。
附图的简单说明
图1是本发明的第一实施例的构成图。
图2是本发明的第一实施例的控制阀的动作图。
图3是本发明的第一实施例的控制阀的动作流程图。
图4是本发明的发动机的转速与输出扭矩的说明图。
图5是表示本发明的效果的一例的说明图。
图6是本发明的第二实施例的构成图。
图7是第二实施例的控制阀的动作图。
图8是第二实施例的排气通路的构成图。
图9是第二实施例的排气通路的构成图。
图10是本发明的第三实施例的构成图。
图11是第三实施例的控制阀的动作图。
图12是第三实施例的控制阀的动作流程图。
图13是第三实施例的废气压力减压阀的动作图。
图14是第三实施例的废气压力减压阀的动作流程图。
图15是本发明的第四实施例的构成图。
图16是第四实施例的控制阀的动作图。
图17是第四实施例的控制阀的动作流程图。
图18是本发明的第五实施例的构成图。
图19是第五实施例的控制阀的动作图。
图20是本发明的第六实施例的构成图。
图21是本发明的全部实施例的燃料喷射定时的说明图。
图22是表示发动机的A/F和排气温度的关系的说明图。
图23是本发明的第七实施例的构成图。
图24是本发明的第八实施例的构成图。
实施例
图1表示本发明的第一实施例的构成图。发动机1具有吸气管2、节流阀3。吸气通过空气滤清器6、AFM(空气流量计)5、涡轮增压器13的压缩机13b、中间冷却器4进入节流阀3，从吸气管2供给到发动机1。发动机1的排气与从排气管10分支的通路21中的涡轮13a并列地配置着同样地从排气管10分支的副催化剂11。在此，副催化剂是辅助主催化剂15的催化剂。副催化剂11和涡轮13a的各自的下游侧与控制阀7连通，合流后进入通路22，与主催化剂15连通。在ECU(发动机控制装置)14上输入发动机的曲柄转角传感器19的角度信号和AFF5的空气量信号，通过点火装置20输出点火信号，输出燃料喷射阀18a、18b、18c、18d的驱动信号。另外，输出控制控制阀7的作动器7a的信号，并且施加排气压传感器8的排气压信号、检测节流阀3的位置的空转开关(SW)信号。通过将控制阀7设置在副催化剂的下游，在副催化剂上施加涡轮增压器的上游压，因此，比在副催化剂的上游设置控制阀可以提高副催化剂的温度。
图2表示图1的第一实施例的控制阀7的动作。由作动器7a控制为闭、中间开度、开。在闭位置时，副催化剂的通路被关闭(涡轮侧通路被打开)。在开位置时，副催化剂的通路被打开(涡轮侧通路被关闭)。在中间开度时，两侧的通路打开，排气从两通路流出。中间开度时的位置根据排气量和排气压力进行变化。
图3是图1的第一实施例的控制阀7的控制方法。首先，进行冷却水温度Tw的判定，在不是Tw≥a时，发动机是暖机中，将控制阀7打开而结束(仅在副催化剂中流动排气)。在是Tw≥a时，进行空转SW的判定。在空转SW是ON时，判断SW的ON时间t。在是t≥t1时，打开控制阀7而结束。在发动机从行驶状态(负荷运转)刚刚返回到了空转后，主催化剂以余热维持活性，可以不马上使用副催化剂。在不是t≥t1时，关闭控制阀7而结束(仅在涡轮增压器13中流动排气)。当空转期间某程度长时，主催化剂的余热效果消失，需要使用副催化剂。另外，通过这样地使用定时器，也可以降低控制阀7的使用频率，有益于控制阀的耐久性的提高。在空转SW不是ON时，进行排气压Pe的判定。在不是Pe≥P1时，关闭控制阀7进行结束。在是Pe≥P1时，将控制阀7打开到中间开度以使Pe成为P1，进行排气压控制而结束。
图4是表示发动机的转速和输出力矩的关系的图。过去的带有涡轮增压器的发动机从转速接近最大值的1/2起开始增压，在发动机的转速大的区域中，输出扭矩比自然供气发动机大。与此相对，本发明的发动机，将涡轮增压机小型化而进行轻量化，将涡轮增压的动作范围位移到低旋转侧。其结果，本发明的发动机的输出扭矩从低旋转区域起增加。但是，由于将涡轮增压器小型、轻量化，当成为发动机的排气量增加的高旋转侧(大致最大转速的1/2附近)时，排气压过高。因此，比原来的带有涡轮增压器的发动机早(低转速)地打开分流涡轮增压机的通路(过去的废气压力减压阀)，在高旋转侧输出扭矩比原来装置小。
图5是表示本发明的效果的图。表示发动机的转速和输出扭矩的关系。通过附加本发明的涡轮增压器，低旋转区域的空气量增加，可以将原来的自然供气的成层区域扩大到输出的扭矩大的方。其结果，燃耗性能提高。
图6是本发明的第二实施例。从排气管10上连通着通路21，在其处设置控制阀7。通路21与涡轮增压器的涡轮13a相连。另外，从控制阀7分支通路23，与副催化剂11连通。这样，当将控制阀7设置在副催化剂11的上游时，控制阀7关闭着时的副催化剂11的保温效果下降，其它可以获得图1相同的效果。
图7是说明图6的第二实施例的控制阀7的动作的图。在控制阀7是闭位置时，作为副催化剂11的通路的通路23被关闭。在控制阀7是开位置时，相反地打开通路23关闭通路21。控制阀7的控制方法与图3相同。
图8、图9是控制阀7的通路构造例。在图1、图6中将通路构成为T字管状，而在本实施例中将其构成为Y字管状。图8是合流的情况，图9是分流的情况。无论在哪种情况下，控制阀7的回转角度都比T字管小。另外，由于排气流的弯曲在两通路上是相同的，由通路引起的流动阻抗的差为0。
图10是本发明的第三实施例，是控制阀使用了“开”和“闭”的两位置动作的控制阀17的实施例。因此，为了分流涡轮13a而设置着废气压力减压阀12，通过将控制阀做成为两位动作阀，可以使控制阀简单化。另外，新需要废气压力减压阀12，但是，在过去的涡轮增压器中具有与其相近的阀，机械性的改进少。
图11表示第三实施例的控制阀17的动作，开位置打开副催化剂的通路(涡轮13a被关闭)。闭位置打开涡轮13a侧(副催化剂11侧被关闭)。
图12是第三实施例的控制阀17的控制流程。首先判定冷却水温度Tw，在不是Tw≥a时，是暖机中，控制阀17打开而结束。在是Tw≥a时进行空转SW的判定。在空转SW是ON时，进行SW的ON时间t的判定。在是t≥t1时，打开控制阀17，结束。在不是t≥t1时，关闭控制阀17，结束。在空转SW不是ON时，关闭控制阀17，结束。
图13是第三实施例的废气压力减压阀12的构成。当向作动器12a输入开阀信号时，对应其的大小打开阀24，流动排气，以分流涡轮13a，可以控制排气压。
图14是第三实施例的废气压力减压阀12的控制方法。本发明的废气压力减压阀12将排气压力控制为规定的值。首先，进行排气压Pe的判定，在不是Pe≥P1时，关闭废气压力减压阀12，结束。在是Pe≥P1时，用废气压力减压阀12进行排气压控制(中间开度)，结束。
图15是本发明的第四实施例。它是在串联地配置副催化剂和涡轮13a，设置分流涡轮13a的通路25的构成中，将副催化剂11设置在涡轮13a的上游的例子。将控制阀17设置在通路21和通路25的分支部。
图16是第四实施例的控制阀7的动作图。在控制阀7打开的位置，只在通路25中流动排气。在控制阀7关闭位置在涡轮13a侧流动排气。在进行排气压控制时，处于中间开度，在两通路21、25中流动排气。
图17是图16的控制阀7的控制流程。首先，判定冷却水温度Tw。在不是Tw≥c℃时，打开控制阀7，结束。在是Tw≥c℃时，进行排气压Pe的判定，在不是Pe≥P1时，关闭控制阀7，结束，在是Pe≥P1时，由控制阀7进行排气压控制(中间开度)。
图18是表示本发明的第五实施例的图。是在串联地配置副催化剂和涡轮13a，设置分流涡轮13a的通路26的构成中，将副催化剂11设置在涡轮13a的下游的例子。用控制阀7合流通路26和通路27。
图19是第五实施例的控制阀7的动作图。在控制阀7的闭位置，通路26是关闭的状态，在控制阀7的开位置，涡轮13a是关闭的状态，在中间开度时在通路27和通路26的双方中流动排气，是进行排气压控制的状态，控制流程与图17相同。
图20是没有原来的主催化剂，通过加大副催化剂的容量在接近发动机的位置设置一个催化剂的所谓的与岐管催化剂28组合的本发明的第六例。在通路22中没有过去设置的主催化剂。控制阀7的安装和动作与图18相同。
另外，在图6、图15、图18、图20的各实施例中也可以与图10的第三实施例相同地设置废气压力减压阀12，可以将控制阀做成为两位动作阀。
图21表示起动暖机时的燃料喷射阀。在通常的运转中进行的暖机结束后时间，在压缩行程后半部分喷射燃料，形成成层状态的混合气，进行对其点火的所谓的压缩行程喷射。但是，起动暖机时，以短时间含有副催化剂的排气系统的早期暖机从排气性能提高的方面考虑是重要的。为了暖机，以特别的喷射时间喷射燃料，进行成层暖机运转(engine warm upcondition of stratified combustion)。即，与通常地运转相同地在压缩行程后半部进行第一次燃料喷射，进行点火。接着，发动机前进到膨胀行程，在该膨胀行程的后半部进行与第一喷射基本相同的程度的第二次的燃料喷射。由于该第二次喷射的燃料几乎不变换为功，而被排气，排气温度上升，有助于排气系统的升温。如果将本发明这样地组合为压缩、膨胀两次喷射，可以进一步缩短发动机的暖机时间，提高排气净化效果。
图22是A/F与排气温度的关系。排气温度在比理论空燃比稍微浓侧成为最高温度。无论是在比其贫侧还是浓侧温度都降低的特性是公知的。如本发明的实施例，排气量增加、排气压变高，分流涡轮时，副催化剂暴露在高温的排气中，有催化剂的耐久性降低的情况，在这时，采取将供给发动机的空燃比位移到浓侧降低排气温度的方法。在本发明中，该方法是有效的措施。
图23是在控制阀7上附设分流通路29的本发明的第七实施例，该分流通路29经常分流地流动排气的一部分。这样，副催化剂中经常地流动着排气，保持活性，图23的第七实施例中，表示着在副催化剂11和涡轮13a的下游的合流部设有控制阀7的情况。在两者的上游的分支部设置控制阀7的情况也对本实施例有效。分流通路29设在副催化剂侧对提高副催化剂的温度保持活性有效。
图24是在控制阀7上穿设孔30，经常地分流排气的一部分的本发明的第八实施例。当在控制阀7上穿设孔30时，在关闭了涡轮13a时，一部分排气也流到涡轮13a中，因此，多少降低了起动时的排气性能。但是，由于在涡轮上预先给予了预旋转，提高了涡轮起动时的响应性。该实施例即使设置在图23所示的合流部也可以获得同样的效果。
根据本发明，在发动机起动时可以防止涡轮增压器所带来的排气冷却，因此，可以进行主催化剂的早期暖机，净化排气，同时，因为增加了成层区域的空气量，所以成层区域在高输出侧宽，燃耗性能提高。

Claims (23)

1.带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，在排气通路上设有涡轮增压器的涡轮和排气净化用的催化剂，在该催化剂的上游的排气通路中设有上述涡轮，而且在分流上述涡轮的分流排气通路中设有辅助上述催化剂的副催化剂，其特征在于，在上述副催化剂下游的排气通路和上述涡轮下游的排气通路的合流部设置控制两排气通路的开口面积的控制阀。
2.如权利要求1所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，上述控制阀从关闭上述副催化剂的下游侧排气通路的位置到关闭上述涡轮的下游侧排气通路的位置连续地或阶段地控制两排气通路横截面面积。
3.如权利要求1所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，上述控制阀将发动机的冷却水温度、空转开关、空转开关的ON时间、排气压或催化剂温度作为参数地控制上述两排气通路横截面面积。
4.如权利要求1所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，将由上述控制阀使分流上述涡轮的排气通路成为全闭状态的控制区域成为发动机的最大转速的大致1/2转速以下的区域。
5.如权利要求1所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，使由上述控制阀使分流上述涡轮的排气通路成为全闭状态的控制区域与发动机的成层燃烧区域大致相同。
6.如权利要求1所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机起动暖机时分为压缩行程和膨胀行程之两次喷射燃料。
7.如权利要求1所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机的转速超过最高转速的1/2进行上升的区域将A/F位移到浓侧。
8.带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，在排气通路上设有涡轮增压器的涡轮和排气净化用的催化剂，在该催化剂的上游的排气通路中设有上述涡轮，而且在分流上述涡轮的分流排气通路中设有辅助上述催化剂的副催化剂，其特征在于，在上述副催化剂和上述涡轮的上游设置分流上述副催化剂侧排气通路和上述涡轮侧排气通路的分流部，在该分流部上设置控制两排气通路的开口面积的控制阀。
9.如权利要求8所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机起动暖机时分为压缩行程和膨胀行程的两次喷射燃料。
10.如权利要求8所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机的转速超过最高转速的1/2进行上升的区域将A/F移位到浓侧。
11.带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，在排气通路上设有涡轮增压器的涡轮和排气净化用的催化剂，在该催化剂的上游的排气通路中设有上述涡轮，而且在分流上述涡轮的分流排气通路中设有辅助上述催化剂的副催化剂，其特征在于，在上述副催化剂下游的排气通路和上述涡轮下游的排气通路的合流部设置控制两排气通路的开口面积的控制阀，并且设有分流上述涡轮并与上述涡轮的下游的排气通路合流的第二分流通路，设有根据上述排气通路的排气压控制流入上述第二分流通路的排气量的排气压控制阀。
12.如权利要求11所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机起动暖机时分为压缩行程和膨胀行程之两次喷射燃料。
13.如权利要求11所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机的转速超过最高转速的1/2进行上升的区域将A/F移位到浓侧。
14.带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，在排气通路上具有涡轮增压器的涡轮，在该涡轮的下游排气通路上设有排气净化用的催化剂，在上述涡轮的上游排气通路上还具有作为上述催化剂的辅助的副催化剂，其特征在于，设有连接上述涡轮和上述副催化剂之间与上述涡轮和上述催化剂之间的分流通路，在该分流通路的分支部或合流部上设置控制阀，该控制阀控制上述涡轮侧排气通路和上述分流通路的开口横截面面积。
15.如权利要求14所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，以发动机的冷却水温度和排气通路的排气压作为参数控制上述控制阀。
16.如权利要求14所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机起动暖机时分为压缩行程和膨胀行程之两次喷射燃料。
17.如权利要求14所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机的转速超过最高转速的1/2进行上升的区域将A/F位移到浓侧。
18.带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，在排气通路上设有涡轮增压器的涡轮和排气净化用的催化剂，在上述催化剂和上述涡轮之间设有辅助上述催化剂的副催化剂，其特征在于，设有分流排气通路，该分流排气通路在上述涡轮的上游分支，在上述涡轮和上述副催化剂之间合流，在上述分支部或合流部上设置控制阀，该控制阀控制流入上述分支排气通路和上述涡轮侧排气通路的排气量。
19.如权利要求18所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机起动暖机时分为压缩行程和膨胀行程之两次喷射燃料。
20.如权利要求18所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机的转速超过最高转速的1/2进行上升的区域将A/F位移到浓侧。
21.带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，在排气通路上顺序地设置涡轮增压器的涡轮和排气净化用的催化剂，设有在上述涡轮的上游分支，在上述涡轮和上述副催化剂之间合流的分流排气通路，在上述分支部或合流部上设置控制阀，该控制阀控制流入上述分流排气通路和上述涡轮侧排气通路的排气量。
22.如权利要求21所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机起动暖机时分为压缩行程和膨胀行程之两次喷射燃料。
23.如权利要求21所述的带有涡轮增压器的火花点火缸内喷射发动机，其特征在于，在发动机的转速超过最高转速的1/2进行上升的区域将A/F位移到浓侧。
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