CN1664339A - 柴油发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可将预混合燃烧中的燃料点火时间控制为最佳的柴油发动机。其具有：EGR阀(7)、进气节流阀(13)、控制这些EGR阀(7)和进气节流阀(13)的控制机构(19)、检测出EGR气体导入部的上游侧的吸入空气量的检测机构(11)，至少在预定的运转区域，执行预混合燃烧，其中，控制机构(19)在至少执行预混合燃烧的运转区域，根据发动机的运转状态，决定混合气在成为目标的时间内点火所需的目标吸入空气量，控制进气节流阀(13)和/或EGR阀(7)，以使检测机构(11)检测出的实际的吸入空气量与目标吸入空气量一致。

Description

柴油发动机
技术领域
本发明涉及一种执行预混合燃烧的柴油发动机，特别是涉及一种使预混合燃烧中的燃料的点火时间最佳的柴油发动机。
背景技术
以往，在柴油发动机中，通常在缸内成为高温、高压的活塞的压缩上死点附近喷射燃料。被喷射的燃料成为与吸入空气混合的混合气体，使该混合气体点火并形成火焰，通过后续的喷射燃料向该火焰供给，以继续燃烧。即，在燃料喷射中开始点火。
对此，近年来，提出了一种使燃料喷射时刻早于压缩上死点的、称作预混合燃烧的燃烧方式(例如，参照专利文献1和2)。在预混合燃烧中，燃料的喷射结束后，通过随着压缩行程中的缸内温度的上升、燃料发生热分解或氧化反应，以开始燃烧。即，在燃料的喷射结束后，经过某时期而点火，由此，由于直到点火为止，混合气体均非常稀薄和均匀，局部的燃烧温度下降，降低了NOx的排出量。另外，因避免了局部空气不足状态下的燃烧，也抑制了烟雾的产生。
尽管是如此改善废气的有效的预混合燃烧，但存在着很难控制燃料的点火时间的问题。原因是，在燃料喷射中开始点火的以往的燃烧中，尽管通过控制燃料喷射时间就能够控制点火时间，但在预混合燃烧中，因为存在着预混合期间(从燃料的喷射结束到点火的期间)，因此即使控制燃料喷射时间，也不能充分地控制点火时间。
在预混合燃烧中，燃料的点火时间不合适时，不仅不能获得废气的净化效果，而且也会引起效率降低(燃料费恶化)或燃烧噪音产生等。例如，燃料的点火时间过早(压缩上死点前)的话，会增大热损失，并且，因为在点火开始后，接受活塞的压缩，因此缸内会成为高温并产生NOx。
因此，在预混合燃烧中，适当地控制燃料的点火时间成为一个较大的课题。
为此，在专利文献2中记载了如下的技术，即，在具有可调整增压的可变增压装置和EGR装置的柴油发动机中，在每个发动机的运转状态下，设定为了使燃料在最佳的时间内点火所需的目标吸入空气量，以使实际的吸入空气量成为目标吸入空气量地调整增压和EGR率。
【专利文献1】日本专利公开公报2001-20784号
【专利文献2】日本专利公开公报2002-327638号
可是，为了控制吸入空气量而改变增压时，存在着增压不能与发动机的运转状态相适应的情况，会导致燃料费恶化或加速时对增压的提升有不良影响等。
另外，因改变增压时，EGR率和吸入空气量变化，因此需要协调控制增压和EGR率，也存在着吸入空气量的控制非常难的问题。换言之，因增压变化所致的吸入空气量变化、和EGR率变化所致的吸入空气量变化复杂地交织，因此不易将吸入空气量控制成目的值。
发明内容
为此，为解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种能够将预混合燃烧中的燃料的点火时间控制成最佳的柴油发动机。
为了实现上述目的，本发明的柴油发动机，具有：EGR阀，在进气通路的EGR气体导入部的上游侧设置的进气节流阀，控制这些EGR阀和进气节流阀的控制机构，检测出进气通路的EGR气体导入部的上游侧的吸入空气量的吸入空气量检测机构；至少在预定的运转区域，在压缩上死点前喷射燃料，并在喷射结束后，执行压缩点火的预混合燃烧，其中，上述控制机构为，至少在执行上述预混合燃烧的运转区域，根据发动机的运转状态，决定为了使燃料在成为目标的时间内点火所需的目标吸入空气量，控制上述进气节流阀和/或EGR阀，以使上述吸入空气量检测机构检测出的实际的吸入空气量与上述目标吸入空气量一致。
在此，在每次发动机运转状态下，确定为了使燃料在最佳的时间内点火所需的氧气量、氧浓度、空燃比、EGR率、惰性气体浓度的至少一个或其组合，或者相当于这些参数的其他物理量的目标值，决定上述目标吸入空气量，以使上述氧气量、氧浓度、空燃比、EGR率、惰性气体浓度的至少一个或其组合、或者相当于这些参数的其他物理量与上述目标值一致。
另外，上述控制机构可以为，在上述目标吸入空气量处于第一设定值以下时，固定上述EGR阀的开度，只开关控制上述进气节流阀，在上述目标吸入空气量大于上述第一设定值并处于第二设定值以下时，开关控制上述EGR阀和进气节流阀这两者，在上述目标吸入空气量大于上述第二设定值时，固定上述进气节流阀的开度，只开关控制上述EGR阀。
另外，还具有具备增压调整机构的可变增压装置，上述控制机构可与上述目标吸入空气量无关地根据预先确定的变换来控制上述增压调整机构。
此外，上述控制机构可在执行上述预混合燃烧的运转区域，使上述增压调整机构的控制量一定。
本发明具有如下的效果。
根据本发明，能够发挥将预混合燃烧中的燃料的点火时间控制为最佳的优良效果。
附图说明
图1为本发明一实施例的柴油发动机的示意图，
图2为示出吸入空气量和废气特性以及发动机性能的关系的视图，
图3为示出进气节流阀13的阀开度和缸内压力以及热发生率的关系的视图，
图4为目标吸入空气量变换的一例，
图5(a)为示出吸入空气量与EGR率的关系视图，(b)为示出吸入空气量与进气节流阀开度的关系视图，(c)为示出吸入空气量与EGR阀开度的关系视图。
具体实施方式
以下，根据附图详细地说明本发明的一较佳实施例。
图1为本实施例的柴油发动机的示意图。
图中，1为发动机主体，该发动机主体1分别与进气通路2、排气通路3连接。本实施例的柴油发动机具有将废气的一部分向发动机主体1的燃烧室内回流的EGR装置5。EGR装置5具有：连接进气通路2和排气通路3的EGR通路6，改变EGR通路6的通路面积且改变EGR率或EGR量(以下简称作EGR率)的EGR阀7，和冷却EGR气体的EGR冷却器9。
进气通路2上设有：空气滤清器10，将通过空气滤清器10的吸入空气量(MAF)加以检测的MAF传感器11(吸入空气量检测机构)，冷却吸入空气的中间冷却器12，在中间冷却器12的下游侧、且在EGR通路6和进气通路2的连接部(EGR气体导入部)的上游侧设置的改变吸入空气量的进气节流阀13。MAF传感器11设置在EGR气体导入部的上游侧，以将不包含EGR气体的吸入空气(新气)的流量加以检测。
在进气通路2和排气通路3上设有可变容量型涡轮增压器14(可变增压装置)。即，在与排气通路3中的EGR通路6的连接部的下游侧设有排气涡轮机15，而在进气通路2中的进气节流阀13的上游侧设有压缩机16。这些排气涡轮机15和压缩机16通过回转轴18相互连接。在排气涡轮机15上设有增压调整阀(增压调整机构)，以将导入排气涡轮机15中的废气的流量加以改变，通过改变该增压调整阀17的阀开度，就能够调整压缩机16的吸入空气的增压力。
设有电控该柴油发动机的ECU19(控制机构)。ECU19通过设置于柴油发动机上的各种传感器类，检测出发动机的运转状态，并根据该发动机运转状态，控制发动机主体1的燃料喷射系统、EGR阀7、进气节流阀13、增压调整阀17等。作为前述的传感器类，包含有检测出进气通路2内的增压的增压传感器20、检测出进气节流阀13的阀开度的位置传感器21、检测出EGR阀7的阀开度的位置传感器22、将流入MAF传感器11内的吸入空气(新气)的温度加以检测的温度传感器23、检测出增压调整阀17的阀开度的位置传感器25、检测出发动机主体1的曲轴转速的发动机回转传感器(未图示)、和检测出加速踏板开度的加速踏板开度传感器(未图示)等，将这些传感器的检测值分别向ECU19输入。
ECU19在每次发动机的运转状态下(发动机转速、加速踏板开度等)，预先存储确定了燃料喷射时间、燃料喷射量、燃料喷射压力等的变换，ECU19根据由各传感器检测出的实际的发动机运转状态，从上述变换中确定燃料喷射时间、燃料喷射量、燃料喷射压力等目标值，并根据这些目标值，适当地控制燃料喷射系统。
本实施例的柴油发动机至少在预定的发动机运转区域(运转状态)，执行“背景技术”栏说明的预混合燃烧。即，ECU19在预定的运转区域，执行早于压缩上死点的燃料喷射。根据上述的预混合燃烧，促进了混合气的稀薄和均匀化，能够大幅度地降低NOx和烟雾。
另外，本实施例的柴油发动机，在至少执行预混合燃烧的运转区域，将燃料的点火时间控制为最佳需要工夫。即，ECU19在至少执行预混合燃烧的运转区域，根据发动机的运转状态，为了在以燃料或混合气(吸入空气(新气)+EGR气体+燃料)为目标的时间(最佳时间)内点火，确定需要的目标吸入空气量(新气的量)，根据由MAF传感器11检测出的实际的吸入空气量，反馈控制进气节流阀13和/或EGR阀7的阀开度，使实际的吸入空气量与目标吸入空气量一致。
更详细地说，在预混合燃烧中，获得废气的净化效果，并且，存在着不会产生效率恶化或产生噪音等不良影响的最佳的混合气点火时间(基本上，压缩上死点或紧接其后)。并且，在预混合燃烧中，混合气的点火时间根据燃料喷射时间、燃料喷射量、混合气的氧浓度等变化。另外，氧浓度尽管可置换为氧气量、空燃比、EGR率或量、惰性气体浓度或与这些参数相当的其他物理量，但在此，作为这些物理量的代表使用氧浓度进行说明。正如上述，由于燃料喷射时间和燃料喷射量等由发动机运转状态唯一确定，因此能够根据这些燃料喷射时间和燃料喷射量等，在每次发动机运转状态下，由实验或模拟等求出为了使混合气在成为目标的最佳时间内点火所需的氧浓度。
并且，由于混合气的氧浓度依存于吸入空气量(新气量)，通过实验或模拟等，在每次发动机运转状态下，确定为了获得目标氧浓度所需的吸入空气量(目标吸入空气量)，并作为变换预先存储于ECU19中。
吸入空气量由于根据进气节流阀13和EGR阀7的阀开度而变化，因此，ECU19在根据实际的发动机运转状态、由变换确定目标吸入空气量后，为了使MAF传感器11检测出的实际的吸入空气量与目标吸入空气量一致，反馈控制进气节流阀13和/或EGR阀7的阀开度。由此，能够最佳地控制预混合燃烧中的燃料的点火时间，能够获得充分的排气净化效果，并且，能够避免效率恶化或产生噪音等不适的点火时间所致的不良影响。
在此，比较重要的是本实施例的柴油发动机不使用增压调整阀17控制吸入空气量。即，在本实施例的柴油发动机中，ECU19在每次发动机运转状态下(发动机转速、燃料喷射量等)，将确定增压调整阀17的最佳阀开度的变换另外存储，ECU19与上述目标吸入空气量无关地、根据该变换控制增压调整阀17的阀开度。因此，增压通常成为与发动机的运转状态相适的数值，不会导致燃料费的恶化或加速时对增压提升的不良影响。另外，尽管增压调整阀17的阀开度变化时吸入空气量就变化，但由于通过进气节流阀13和/或EGR阀7的控制能够补正(吸收)其变化，因此能够确实使实际的吸入空气量与目标吸入空气量一致。
图2示出吸入空气量和废气特性以及发动机性能的关系。
该图横轴为表示吸入空气量的代替值的空燃比(A/F)，空燃比越高，意味着吸入空气量越多。该图的纵轴从上段起分别表示EGR率、THC排出量、NOx排出量、烟雾排出量、净平均有效压力(BMEP)。
图中示出作为固定EGR阀7的阀开度、只改变进气节流阀13的阀开度以使空燃比(吸入空气量)变化的结果，圆点连线表示EGR阀7的阀开度固定在20％的情况，三角形点连线表示EGR阀7的阀开度固定在40％的情况。另外，图中四方形点连线表示出用于比较的、以往的在活塞的压缩上死点喷射燃料以进行燃烧时的结果。另外，在所有的连线中，发动机转速和燃料喷射量是一定的。此外，在各连线中，意味着沿着箭头所示方向、进气节流阀13的阀开度逐渐变小。
正如图示，通过使进气节流阀13节流，空燃比减小，即，吸入空气量变少，EGR率增加。
此外，在进气节流阀13的阀开度变化时，THC、NOx以及烟雾的产生量就变化。这是由于通过进气节流阀13的阀开度变化、使得混合气的氧浓度(空燃比、吸入空气量)变化，燃料的点火时间就变化的缘故。
并且，正如图示，存在着所有的污染物质的排出量少并且发动机性能也可确保为与以往的燃烧处于相等水平的最佳空燃比B(吸入空气量)。即，该空燃比B时的混合气的点火时间成为上述目标的点火时间(最佳点火时间)。
使用图3示出进气节流阀13的阀开度(即吸入空气量)与点火时间的关系一例。
图中横轴为曲柄角，纵轴的上段表示缸内压力，中段表示热发生率，下段表示发动机主体1相对燃料喷射阀的通电电流(驱动电流)。
图中示出在-20ATDC下执行燃料喷射的例子，EGR阀7的阀开度固定在20％。此外，随着朝向连线I～连线III，进气节流阀13的阀开度变小。即，图3示出使进气节流阀13的阀开度变化为3个图形时的结果。
正如图示，进气节流阀13的阀开度越小，缸内压力和热发生率提升期就越慢。这意味着进气节流阀13的阀开度越小，即吸入空气量越少，混合气的点火时间就越迟。另外，很显然，混合气的点火时间越迟，缸内压力和热发生率的最大值就越小。
根据结果，很显然通过控制进气节流阀13的阀开度(吸入空气量)，就能够抑制混合气的点火时间和燃烧。
由于在以混合气为目标的时间内点火所需的吸入空气量在每次发动机的运转状态下是不同的，因此通过预先试验或模拟等，在每次发动机的运转状态下，求出在成为目标的时间内点火所需的吸入空气量，并作为目标吸入空气量变换存储于ECU19中。
图4示出目标吸入空气量变换的一例。
图中，横轴为发动机转速，纵轴为燃料喷射量(相当于发动机负载)。另外，连线C表示预混合燃烧和以往燃烧的转换点，ECU19在位于连线C下侧的运转区域，执行预混合燃烧。即，在本实施例中，在较低的负载运转区域，执行预混合燃烧。这是由于在高负载运转区域下，燃料喷射量变多，执行预混合燃烧时，会产生爆震等的缘故。
设置于连线C下侧的连线D1～D4为目标吸入空气量变换，若在同一直线上，则表示目标吸入空气量相等。正如图示，燃料喷射量越少(发动机负载越小)，目标吸入空气量就越少。
ECU19根据由发动机转速检测出的实际的发动机转速、和基于发动机转速和加速踏板开度等从变换决定的燃料喷射量，由该变换决定目标吸入空气量。
并且，控制进气节流阀13和/或EGR阀7，以使MAF传感器11检测出的实际的吸入空气量与目标吸入空气量一致，但在本实施例中，选择对应于变换决定的目标吸入空气量的数值而控制的阀。
对此用图5加以说明。
图中，横轴表示吸入空气量，纵轴在图5(a)中为EGR率，图5(b)中为进气节流阀13的阀开度，图5(c)中为EGR阀7的阀开度。
正如图示，进气节流阀13的阀开度从0％(全闭)的状态慢慢变大时，吸入空气量增加，EGR率下降。并且，吸入空气量上升到某值N1时，相对于进气节流阀13的阀开度变化的吸入空气量的增加程度减少，阀开度成为100％(全开)时，吸入空气量不会继续增加。
另外，EGR阀7的阀开度从0％(全闭)的状态慢慢变大时，吸入空气量降低，EGR率上升。并且，吸入空气量下降到某值N2时，相对于EGR阀7的阀开度变化的吸入空气量的降低程度减少，阀开度成为100％(全开)时，吸入空气量不会继续降低。
如此，进气节流阀13和EGR阀7分别具有相对吸入空气量的灵敏度高的区域(控制性高的区域)。即，进气节流阀13在吸入空气量处于N1以下的区域，可发挥较高的控制性，EGR阀7在吸入空气量大于N2的区域，可发挥较高的控制性。另外，吸入空气量在中等程度的区域(N1～N2)，进气节流阀13和EGR阀7的控制性不会如前述状态那样高。
本实施例的柴油发动机考虑到进气节流阀13和EGR阀7的如此特性，需要可简单且适当地控制吸入空气量的工作。具体而言，ECU19在从变换决定的目标吸入空气量处于预定的第一设定值(图5的N1)以下时，固定EGR阀7的开度(通常固定为全开)，只开关控制进气节流阀13；在目标吸入空气量大于第一设定值N1，并且处于比第一设定值N1大的第二设定值(图5的N2)以下时，开关控制EGR阀7和进气节流阀13这两者；在目标吸入空气量大于第二设定值N2时，固定进气节流阀13的开度(通常固定为全开)，只开关控制EGR阀7。另外，第一设定值N1和第二设定值N2为根据EGR装置5的特性(例如，EGR冷却器9的性能等)进行各种变化的数值，通过预先实验等预先确定。
根据本实施例，在进气节流阀13或EGR阀7各自相对吸入空气量的灵敏度高(控制性高)的区域，由于只控制灵敏度高的一方的阀，因此能够容易且精细地控制吸入空气量。另外，在进气节流阀13和EGR阀7两者的相对吸入空气量的灵敏度较低的区域，由于控制这两个阀，因此能够可靠地控制吸入空气量。此外，吸入空气量的控制由于使用进气节流阀13和EGR阀7这两者，从而吸入空气量的可控范围广。因此，能够可靠地实现最佳的点火时间。
本发明并不限于上述的实施例。
例如，在上述实施例中，作为可变增压装置，示出了可变容量型涡轮增压器(VGS)14，但本发明并不限于此，可以使用可变喷嘴式轮增压器(VNT)、2级涡轮增压器(2个涡轮增压器的转换系统)，或者采用溢流门的可变涡轮增压器等其他可变增压装置。
另外，在执行预混合燃烧的运转区域，增压调整机构(增压调整阀17)的控制量(阀开度)与发动机的运转状态无关，可成为一定。如此，因增压一定，能够更容易地进行进气节流阀13和/或EGR阀7的吸入空气量的控制。此时，如将增压调整阀17固定在大致全闭状态下，则从执行预混合燃烧的低负载区域转换到执行通常燃烧的高负载区域时，可确保良好的增压响应性。
此外，由于本发明对于吸入空气量的控制中不使用增压调整机构，因此当然也适用于不具有可变增压装置的柴油发动机。
再者，在上述实施例中，是根据目标氧气量来确定目标吸入空气量的，但本发明并不限于此，可使用氧气量、氧浓度、空燃比、EGR率、惰性气体浓度中至少一个或其组合、或者相当于这些参数的其他物理量来决定目标吸入空气量。
并且，在上述实施例中，是以MAF传感器11检测出的实际的吸入空气量成为目标吸入空气量的方式来控制进气节流阀13和/或EGR阀7的，但也可由缸内压力传感器等检测出混合气的点火时间、使实际的点火时间与预定的最佳点火时间一致的方式来控制进气节流阀13和/或EGR阀7。
另外，可根据发动机的运转状态，决定燃料在成为目标的时间内点火所需的目标氧气量，并且，在发动机主体1的燃烧室内或进气口等上设置O2传感器，以使O2传感器检测出的实际的氧气量与目标氧气量一致的方式控制进气节流阀13和/或EGR阀7。

Claims (5)

1、一种柴油发动机，具有：EGR阀，在进气通路的EGR气体导入部的上游侧设置的进气节流阀，控制这些EGR阀和进气节流阀的控制机构，检测出进气通路的EGR气体导入部的上游侧的吸入空气量的吸入空气量检测机构；至少在预定的运转区域，在压缩上死点前喷射燃料，并在喷射结束后，执行压缩点火的预混合燃烧，其特征在于，
所述控制机构为，至少在执行所述预混合燃烧的运转区域，根据发动机的运转状态，决定为了使燃料在成为目标的时间内点火所需的目标吸入空气量，控制所述进气节流阀和/或EGR阀，以使所述吸入空气量检测机构检测出的实际的吸入空气量与所述目标吸入空气量一致。
2、如权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，在每次发动机运转状态下，确定为了使燃料在最佳的时间内点火所需的氧气量、氧浓度、空燃比、EGR率、惰性气体浓度的至少一个或其组合，或者相当于这些参数的其他物理量的目标值，决定所述目标吸入空气量，以使所述氧气量、氧浓度、空燃比、EGR率、惰性气体浓度的至少一个或其组合、或者相当于这些参数的其他物理量与所述目标值一致。
3、如权利要求1或2所述的柴油发动机，其特征在于，
所述控制机构，
在所述目标吸入空气量处于第一设定值以下时，固定所述EGR阀的开度，只开关控制所述进气节流阀；
在所述目标吸入空气量大于所述第一设定值并处于第二设定值以下时，开关控制所述EGR阀和进气节流阀这两者；
在所述目标吸入空气量大于所述第二设定值时，固定所述进气节流阀的开度，只开关控制所述EGR阀。
4、如权利要求1～3任一项所述的柴油发动机，其特征在于，
还具有具备增压调整机构的可变增压装置，
所述控制机构可与所述目标吸入空气量无关地根据预先确定的变换来控制所述增压调整机构。
5、按照权利要求1～4任一项所述的柴油发动机，其特征在于，所述控制机构可在执行所述预混合燃烧的运转区域，使所述增压调整机构的控制量固定。
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