内燃机的排气回流装置制造方法
内燃机的排气回流装置制造方法
【专利摘要】以提供在进行均质燃烧的内燃机中，将能够进行均质稀薄燃烧的运转区域扩大，从而能够实现油耗的降低以及NOx排出量的抑制的内燃机的排气回流装置为目的。包括均质稀薄燃烧机构和EGR装置，所述均质稀薄燃烧机构在规定的稀薄燃烧区域进行均质稀薄燃烧，所述EGR装置用于进行使在内燃机的排气系统中流动的气体的一部分向进气系统回流的EGR，在进行均质稀薄燃烧的情况下，控制EGR装置而进行EGR。作为EGR装置，使用使在比涡轮靠下游侧的排气通路内流动的气体向比压缩机靠上游侧的进气通路内回流的LPL–EGR装置。优选将空燃比控制为22，将EGR率控制为10％～20％。
【专利说明】内燃机的排气回流装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能够实施使废气的一部分向进气系统回流的EGR(Exhaust Gas Recirculation,废气再循环）的内燃机的排气回流装置。
【背景技术】
[0002] 以往，例如在日本特开2003 - 129874号公报中公开了一种进行使废气的一部分 向进气系统回流的EGR的带增压器的发动机的排气回流装置。在该装置中，使燃料与空气 的混合气形成分层而使火花塞附近的比较浓的混合气着火，在进行利用着火后的火种向燃 烧室内的稀薄的混合气传播火炎的分层稀薄燃烧时，进行EGR。由此，能使燃烧温度下降，所 以抑制NOx的排出量。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :日本特开2003 - 129874号公报
[0006] 专利文献2 :日本特开2005 - 214063号公报
【发明内容】
[0007] 发明要解决的问题
[0008] 但是，利用分层稀薄燃烧进行的对NOx排出量的抑制存在极限。图16是按照燃烧 方式来比较NOx排出量相对于空燃比A/F的变化的图。如该图所示，分层燃烧在稀薄燃烧 区域为空燃比越稀薄，NOx排出量越下降，但该下降的程度并不太大。这起因于：即使在分 层燃烧中进行稀薄燃烧，火花塞周围的温度也始终为高温。因此，在进行分层稀薄燃烧时通 常进行EGR，但即使这样，也不能避免一定程度的NOx排出。
[0009] 为此，近年来受到注目的技术是，使燃料与空气的混合气在缸内均匀地混合后进 行燃烧的均质燃烧。如图16所示，采用均质燃烧，与分层燃烧的情况相比，能在稀薄燃烧区 域内抑制NOx排出量。这起因于，在稀薄燃烧区域，空燃比越稀薄，燃烧室的温度整体越下 降。但是，均质稀薄燃烧在运转区域的狭窄方面存在问题。即，均质稀薄燃烧由于利用许多 新气体进行燃烧，所以排气温度下降。因而，在进行低负荷运转时，因排气净化催化剂的床 层温度下降而不能进行均质稀薄燃烧。另外，在进行高负荷运转时，因爆震的发生而使效率 下降。这样，在进行均质燃烧的以往的发动机中，在不能执行均质稀薄燃烧的运转区域，不 得不进行化学计量燃烧，从降低油耗以及抑制NOx排出量的观点出发，希望进行进一步的 改进。
[0010] 本发明是为了解决上述那样的问题而做成的，目的在于提供一种在进行均质燃烧 的内燃机中，将能够进行均质稀薄燃烧的运转区域扩大，从而能够实现油耗的降低以及NOx 排出量的抑制的内燃机的排气回流装置。
[0011] 用于解决问题的方案
[0012] 为了达到上述目的，第1技术方案的内燃机的排气回流装置的特征在于，包括均 质稀薄燃烧机构、EGR装置和控制机构，
[0013] 上述均质稀薄燃烧机构在规定的稀薄燃烧区域进行均质稀薄燃烧，
[0014] 上述EGR装置用于进行使在内燃机的排气系统中流动的气体的一部分向进气系 统回流的EGR，
[0015] 上述控制机构基于上述内燃机的运转条件控制上述EGR装置，
[0016] 在进行上述均质稀薄燃烧的情况下，上述控制机构控制上述EGR装置而进行EGR。 [0017] 第2技术方案在第1技术方案的基础上，其特征在于，
[0018] 上述内燃机具有涡轮增压器，该涡轮增压器包括设置在排气通路内的涡轮和设置 在进气通路内的压缩机，
[0019] 上述EGR装置具有低压侧EGR装置，该低压侧EGR装置使在比上述涡轮靠下游侧 的排气通路中流动的气体，向比上述压缩机靠上游侧的进气通路回流，
[0020] 在进行上述均质稀薄燃烧的情况下，上述控制机构控制上述低压侧EGR装置而进 行 EGR。
[0021] 第3技术方案在第1技术方案或第2技术方案的基础上，其特征在于，
[0022] 上述EGR装置具有如下机构，该机构对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入 到上述内燃机中的总气体量的比率的EGR率进行调整，
[0023] 上述均质稀薄燃烧机构以使表示被吸入的新气体量相对于上述内燃机的缸内燃 料量的比率的空燃比为22的方式，进行均质稀薄燃烧，
[0024] 上述控制机构以上述均质稀薄燃烧中的EGR率为10 %?20 %的方式控制上述EGR 装直。
[0025] 第4技术方案在第2技术方案或第3技术方案的基础上，其特征在于，
[0026] 还具有化学计量燃烧机构，该化学计量燃烧机构在比上述稀薄燃烧区域高负荷侧 的化学计量燃烧区域，进行使上述内燃机的燃烧空燃比为理论空燃比的化学计量燃烧，
[0027] 上述EGR装置还具有高压侧EGR装置，该高压侧EGR装置使在比上述涡轮靠上游 侧的排气通路内流动的气体向比上述压缩机靠下游侧的进气通路内回流，
[0028] 上述控制机构在进行上述化学计量燃烧的情况下，控制上述高压侧EGR装置和上 述低压侧EGR装置双方而进行EGR。
[0029] 第5技术方案在第4技术方案的基础上，其特征在于，
[0030] 上述EGR装置具有如下机构，该机构对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入 到上述内燃机中的总气体量的比率的EGR率进行调整，
[0031] 上述控制机构在进行上述化学计量燃烧的情况下，以使由上述低压侧EGR装置进 行的EGR率为15%、由上述高压侧EGR装置进行的EGR率为10%的方式，控制上述低压侧 EGR装置和上述高压侧EGR装置。
[0032] 发明效果
[0033] 采用第1技术方案，由于在进行均质稀薄燃烧时进行EGR，所以能够有效地抑制在 进行均质稀薄燃烧时成为问题的在高负荷侧发生的爆震。另外，EGR气体中含有的C0、HC 有助于催化剂中的氧化反应。因此，能够有效地抑制在进行均质稀薄燃烧时成为问题的低 负荷侧的催化剂床层温度的下降。因此，采用本发明，能将能够进行均质稀薄燃烧的稀薄燃 烧区域有效地扩大而降低油耗。
[0034] 采用第2技术方案，在进行均质稀薄燃烧时执行由低压侧EGR装置进行的EGR。由 低压侧EGR装置进行的EGR相对于内燃机的旋转负荷是稳定的。因此，采用本发明，即使在 内燃机的瞬变运转时，也能实现稳定的EGR，所以能够防止失火等。
[0035] 采用第3技术方案，当在均质稀薄燃烧的过程中进行EGR时，将空燃比控制为22， 将EGR率控制为10%?20%。EGR率越高，油耗越高，但是能将能够进行均质稀薄燃烧的运 转区域扩大。因此，采用本发明，通过在进行均质稀薄燃烧时将空燃比控制为22,将EGR率 控制为10%?20%，能够最大限度地降低油耗。
[0036] 采用第4技术方案，当在比稀薄燃烧区域高负荷的化学计量燃烧区域进行化学计 量燃烧的情况下，进行使用了低压侧EGR装置和高压侧EGR装置双方的EGR。在各EGR装置 中避免失火且能导入的EGR量存在极限。采用本发明，通过并用这些EGR装置，能够在进行 高负荷的化学计量燃烧时导入大量的EGR气体，所以能够确保高负荷时的扭矩，并且抑制 NOx的排出量。
[0037] 采用第5技术方案，当在化学计量燃烧的过程中进行EGR动作时，将低压侧EGR装 置的EGR率控制为15 %，将高压侧EGR装置的EGR率控制为10%。当设定为大于25 %的 EGR率时，紊流燃烧速度成为0,火炎传播不再进行。另外，当只利用一方的EGR装置实现 25%的EGR率时，瞬变时的减速失火、响应性的劣化等成为问题。因此，采用本发明，通过在 进行化学计量燃烧时并用高压侧和低压侧EGR装置来实现25 %的EGR率，能够抑制瞬变时 的减速失火、响应性的劣化，并且能够最大限度地抑制NOx的排出量。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1是表示搭载有应用了作为本发明的实施方式1的控制装置的内燃机的系统的 大概结构的图。
[0039] 图2是表示相对于进气压力的发动机热效率的图。
[0040] 图3是按照每种EGR率表示相对于气体燃料比G/F的发动机热效率的图。
[0041] 图4是表示相对于气体燃料比G/F的（Α)Ν0χ排出量、（B)C0排出量、（C)THC排出 量和（D)S/C床层温度的图。
[0042] 图5是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施有无来分别表示相对于进气压力的（A) 热效率、（B) NOx排出量和（C)S/C升温的变化的图。
[0043] 图6是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施的有无来分别表示相对于NOx排出量的 S/C床层温度的图。
[0044] 图7是表示均质燃烧中的稀薄燃烧运转区域的图。
[0045] 图8是按照每种EGR率来表示NOx排出量与A/F的关系的图。
[0046] 图9是分别表示相对于EGR率的（A)NOx排出量成为规定的目标量的A/F、（B)由 稀薄燃烧获得的油耗降低效果、（C)因稀薄燃烧运转的区域缩小而发生的油耗的升高度、以 及（D)综合的油耗降低效果的图。
[0047] 图10是分别表示相对于EGR率的⑷NOx排出量成为规定的目标量的A/F、⑶由 稀薄燃烧获得的油耗降低效果、（C)由爆震的改善而获得的油耗降低效果、以及（D)综合的 油耗降低效果的图。
[0048] 图11是表示均质燃烧时的运转区域的图。
[0049] 图12是在HPL - EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。
[0050] 图13是在LPL - EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。
[0051] 图14是在并用了由15%的EGR率进行的LPL-EGR和由10%的EGR率进行的 HPL - EGR的情况下的时间图。
[0052] 图15是详细地说明LPL - EGR的结构的图。
[0053] 图16是按照燃烧形态来比较NOx排出量相对于空燃比A/F的变化的图。
【具体实施方式】
[0054] 下面，根据【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。另外，对于各图中共用的要素，标注相同 的附图标记而省略重复的说明。另外，以下的实施方式并不限定本发明。
[0055] 实施方式1.
[0056] 实施方式1的结构
[0057] 图1是表示搭载有应用了作为本发明的实施方式1的控制装置的内燃机（以下简 称为发动机）的系统的大概结构的图。图1所示的发动机10是火花点火式的4冲程往复 式发动机，构成为能够由均质燃烧进行稀薄燃烧运转。发动机10包括用于向各缸的燃烧室 内供给空气的进气系统、用于将废气排出的排气系统、使排气系统的废气的一部分向进气 系统回流的EGR系统、以及用于控制发动机10的运转的控制系统的结构。下面，分别详细 说明上述系统的结构。
[0058] 发动机10的进气系统具有进气通路12。在进气通路12的入口侧安装有空气滤 清器14。在进气通路12中的空气滤清器14的下游侧，安装有输出与被吸入到进气通路12 内的空气的流量相对应的信号的空气流量计16。进气通路12的出口侧借助稳压箱18和进 气歧管20与各缸的燃烧室相连接。
[0059] 在进气通路12中的空气流量计16的下游侧配置有涡轮增压器22的压缩机22a。 在压缩机22a的下游侧的进气通路12中配置有中冷器24,该中冷器24用于将利用压缩机 22a压缩了的进气冷却。在中冷器24的下游侧的进气通路配置有用于对供给到发动机10 内的空气量进行调整的节气门26。
[0060] 发动机10的排气系统具有排气通路30。排气通路30的一端侧借助排气歧管28 与各缸的燃烧室相连接。在排气通路30的中途配置有涡轮增压器22的涡轮22b。在涡轮 22b的下游侧的排气通路30内依次配置有启动催化剂（以下称为"S/C") 32和稀薄NOx催 化剂34。S/C32是所谓的三元催化剂，在理论空燃比附近有效地净化废气中含有的HC、C0、 NOx这3种成分。另一方面，稀薄NOx催化剂34是所谓的吸附还原型的NOx催化剂，具有如 下的吸收放出作用：在废气的空燃比位于规定的稀薄区域内的情况下，吸附NOx，在位于浓 区域内的情况下，放出NOx。另外，在S/C32与稀薄NOx催化剂34之间的排气通路30内配 置有用于将废气中的NOx浓度检测出来的NOx传感器36。
[0061] 另外，发动机10的EGR系统具有低压侧EGR通路（LPL - EGR通路）38。LPL - EGR 通路38的一端连接于S/C32与稀薄NOx催化剂34之间的排气通路30,另一端连接于空气 流量计16与压缩机22a之间的进气通路12。在LPL - EGR通路38的中途设置有用于开闭 该通路38的LPL - EGR阀40。
[0062] 另外，发动机10的EGR系统具有高压侧EGR通路（HPL - EGR通路）42。HPL - EGR 通路42的一端与涡轮22b的上游侧的排气通路30相连接，另一端借助EGR输送装置44与 进气歧管20相连接。在HPL - EGR通路42的中途自EGR输送装置44侧依次设置有用于开 闭该通路42的HPL - EGR阀46、用于冷却EGR气体的EGR冷却器48、以及用于净化EGR气 体中的未燃HC、粒子状物质的EGR催化剂50。
[0063] 本实施方式的发动机10具有EQJ (Electronic Control Unit,电子控制单元）60， 来作为控制系统。上述的LPL - EGR阀40、HPL - EGR阀46、节气门26和火花塞（未图示） 等各种促动器与ECU60的输出侧相连接。除了上述的空气流量计16和NOx传感器36以外， 输出与曲轴（未图示）的旋转角度相对应的信号的曲轴转角传感器、空燃比传感器（均未 图示）等各种传感器类部件与ECU60的输入侧相连接。ECU60基于发动机所具有的各传感 器的输出，按照规定的控制程序使发动机所具有的各促动器进行动作。
[0064] 实施方式1的动作
[0065] 接下来，参照【专利附图】
【附图说明】本实施方式1的系统的动作。如上所述，本实施方式的发动 机10构成为能够由均质燃烧进行稀薄燃烧运转。因此，例如在图16所示的例子中，通过进 行使空燃比A/F为26?28的均质稀薄燃烧，与伴有EGR的分层稀薄燃烧相比，能够抑制 NOx排出量。
[0066] 但是，如上所述，均质稀薄燃烧在其运转区域的狭窄方面存在问题。即，均质稀薄 燃烧虽然能够抑制NOx排出量，但另一方面可能在轻负荷运转区域内不必要地使废气温度 下降。在这种运转区域内，因 S/C32的床层温度的下降而发生的NOx净化性能的下降成为 问题，所以要求进行化学计量燃烧运转。另外，均质稀薄燃烧对爆震的耐性低，所以要求在 高负荷运转区域进行化学计量燃烧运转。这样，在进行均质燃烧的发动机中，能如何扩大稀 薄燃烧运转区域，对油耗的降低以及NOx排出量的抑制产生较大的影响。
[0067] 为此，在本实施方式的系统中，在进行发动机10的均质稀薄燃烧时实施EGR。图2 是表示相对于进气压力的发动机热效率的图。如该图所示，可知当在均质稀薄燃烧中实施 EGR时，与不实施EGR的情况相比，高负荷运转区域内的发动机热效率提高。这起因于，EGR 气体中的C02作为惰性气体发挥作用，在高负荷运转区域抑制爆震的发生。
[0068] 另外，图3是按照每种EGR率来表示相对于气体燃料比G/F的发动机热效率的图。 另外，气体燃料比G/F可以利用下述式（1)来表示。
[0069] G/F = (Ga+Gegr)/Gf
[0070] = A/FX (1/(1 -EGR/100))......(1)
[0071] 在上述式（1)中，A/F是空燃比，S卩，新气体与燃料量的比，EGR是EGR率[%]。另 夕卜，Ga是新气体量[g/s]，Gegr是EGR气体量[g/s]，Gf是燃料消耗量[g/s]。
[0072] 如该图所示，可知实施了 EGR的情况的发动机热效率比不导入EGR的情况（EGR率 为〇%的情况）的发动机热效率高。特别是在G/F为26?28的稀薄燃烧区域，可知EGR率 为15 %的情况下的发动机热效率成为最高的值。这样，采用本实施方式的系统，通过在均质 燃烧中实施EGR，能够向高负荷侧有效地扩大稀薄燃烧区域。
[0073] 接下来，图4是表示相对于气体燃料比G/F的（A)NOx排出量、⑶C0排出量、（C) THC排出量以及（D)S/C床层温度的图。如图中㈧?（C)所示，可知当比较均质燃烧中等 G/F时的NOx排出量时，实施了 EGR的情况比不实施的情况的NOx排出量少，相反C0、HC的 排出量多。C0、HC在S/C32内用于氧化反应。因此，如图中（D)所示，当在均质燃烧中实施 EGR时，能在稀薄燃烧运转区域内有效地抑制S/C32的床层温度的下降。
[0074] 图5是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施的有无来分别表示相对于进气压力的 ㈧热效率、⑶NOx排出量以及（C)S/C升温的变化。如该图中的（C)所示，当在均质稀薄 燃烧中不实施EGR的情况下，在低负荷的区域，S/C32的床层温度不会到达至规定的目标床 层温度，所以不能进行稀薄燃烧运转。这一点，当在均质稀薄燃烧中实施了 EGR的情况下， 能在低负荷的区域使S/C32的床层温度有效地升温，所以能使能够进行稀薄燃烧运转的区 域向低负荷侧有效地扩大。
[0075] 另外，图6是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施的有无来分别表示相对于NOx排 出量的S/C床层温度的图。如该图所示，可知当在均质稀薄燃烧中实施EGR时，相对于NOx 的排出量的S/C32的床层温度效率佳。因而，通过在均质稀薄燃烧中实施EGR，能够以高水 平兼顾NOx的排出量的抑制和由稀薄燃烧运转区域的扩大而获得的油耗的降低。
[0076] 如上所述，当在均质稀薄燃烧中实施EGR时，能够有效地扩大能够进行稀薄燃烧 运转的运转区域。图7是表示均质燃烧时的稀薄燃烧运转区域的图。如该图所示，当在均 质燃烧中实施EGR时，能够向高负荷侧和低负荷侧扩大稀薄燃烧运转。由此，能够以高水平 兼顾由均质稀薄燃烧获得的NOx排出量的抑制和由稀薄燃烧运转区域的扩大而获得的油 耗的降低。
[0077] 本申请的发明人关于均质稀薄燃烧的空燃比和EGR率反复进行了潜心研究，结果 从NOx排出量的抑制以及油耗的降低的观点出发，发现了较佳的空燃比和EGR率的组合。详 细而言，发现当EGR率为10%?20% (优选为15% )、A/F为22时，能够抑制NOx排出量， 并且油耗最低。下面，分别从S/C床层温度的观点和爆震的观点出发，说明此结论的根据。
[0078] 首先，从S/C床层温度的观点出发，考察均质稀薄燃烧时的EGR的油耗降低效果。 图8是按照每种EGR率表示NOx排出量与A/F的关系的图。如图8所示，用于满足NOx排 出量的目标值（例如lg/kWh)的A/F根据EGR率进行变化。
[0079] 图9是分别表示相对于EGR率的（A)NOx排出量成为规定的目标量的A/F、（B)由 稀薄燃烧获得的油耗降低效果、（C)因稀薄燃烧运转的区域缩小而发生的油耗的升高度、以 及（D)综合的油耗降低效果的图。首先，图9中的（A)所示的关系是从上述的图8所示的 关系中导出的。如图9中的（A)所示，EGR率越高，NOx排出量满足目标量的情况下的A/F 越成为浓侧的空燃比。这里，如图9中的（B)所示，EGR率越低，NOx排出量满足目标量的情 况下的由稀薄燃烧获得的油耗降低效果越高。这是因为，通常的稀薄燃烧比伴有EGR气体 的燃烧的油耗低。因此，从内燃机燃烧的观点出发，对于油耗的降低，优选降低EGR率。
[0080] 另一方面，如图9中的（C)所示，EGR率越高，NOx排出量满足目标量的情况下的、 因稀薄燃烧运转的区域的缩小而引发的油耗的升高度越趋向改进方向。这是因为，EGR率 越高，越能抑制S/C32的床层温度的下降，所以能够扩大稀薄燃烧运转的低负荷侧的运转 区域。因此，从低负荷侧的运转区域的限制的观点出发，对于油耗的降低，优选使EGR率升 商。
[0081] 图9中的⑶是综合性地考虑图中⑶和（C)所示的油耗影响后得到的图。如图 中⑶所示，可知在EGR率为10%?20% (特别是15% )、A/F为22左右时，油耗降低效 果高。
[0082] 接下来，从爆震的观点出发，考察均质稀薄燃烧时的EGR的油耗降低效果。图10 是分别表示相对于EGR率的（A)NOx排出量成为规定的目标量的A/F、（B)由稀薄燃烧获得 的油耗降低效果、（C)由爆震的改善而获得的油耗降低效果、以及（D)综合的油耗降低效果 的图。
[0083] 首先，图10中的㈧和⑶所示的关系与上述的图9中的㈧和⑶所示的关系 相同。并且，如图10中的（C)所示，EGR率越高，NOx排出量满足目标量的情况下的、因爆震 被改进而获得的油耗降低效果越趋向油耗降低的方向。这是因为，EGR率越高，燃烧室内的 C02的比例越相对地上升，爆震的耐性越高。因此，从爆震的观点出发，对于油耗的降低，优 选升高EGR率。
[0084] 图10中的⑶是综合性地考虑图中⑶和（C)所示的油耗影响后得到的图。如 图中⑶所示，可知当EGR率为10%?20% (特别是为15% )、A/F为22左右时，油耗降 低效果高。
[0085] 因而，当在发动机10中进行均质稀薄燃烧的情况下，通过以EGR率为10%?20% (更优选EGR率为15% )、A/F为22的方式进行运转，能够将NOx排出量抑制为目标量，并 且能够最大限度地降低油耗。
[0086] 接下来，说明本实施方式的系统中的EGR动作。本实施方式的系统具有如下特征： 能够实施借助了 LPL - EGR通路38的LPL - EGR、和借助了 HPL - EGR通路42的HPL - EGR， 但LPL - EGR与HPL - EGR相比，EGR气体的导入量相对于发动机10的旋转负荷不易变化。 另外，在进行稀薄燃烧时，在规定的正时执行强脉冲（日文：^ 7 4控制。因此， 在利用强脉冲控制打乱了排气压力的内燃机中，不能进行稳定的HPL - EGR。
[0087] 为此，在进行本实施方式的均质稀薄燃烧时，利用LPL - EGR导入EGR气体。由此， 能够稳定地实现期望的EGR率（例如15% )，所以能够可靠地实现NOx排出量的抑制和油 耗的降低。
[0088] 另外，在上述的实施方式中，作为均质稀薄燃烧时的EGR的条件，并未特别清楚地 记载发动机10的预热条件，但在水温低的预热过程中，不能实施EGR。这是因为，在发动机 预热前，自EGR气体（废气）产生冷凝水，这可能损坏压缩机22a等。为此在本实施方式中， 作为避免由冷凝水产生的危险性的状态，也可以例如将水温为70°C以上作为均质稀薄燃烧 时的EGR的条件。由此，能够保护发动机10的构成零件，并且能够实施EGR。
[0089] 另外，在上述的实施方式中，在均质稀薄燃烧中将空燃比设定为22,将EGR率设定 为10%?20%，但空燃比和EGR率不限定于该比率。即，根据油耗降低效果与NOx排出量 的关系适当地设定最佳的空燃比和EGR率即可。
[0090] 实施方式2.
[0091] 实施方式2的特征
[0092] 接下来，参照图11至图14说明本发明的实施方式2。在上述的实施方式1的系 统中，通过在进行均质稀薄燃烧时进行EGR，能够抑制高负荷时的爆震，并且抑制低负荷时 的S/C32的床层温度的下降。由此，能使能够进行稀薄燃烧运转的运转区域分别向高负荷 侧和低负荷侧扩大，所以能够抑制NOx排出量，并且能够降低油耗。
[0093] 但是，运转区域的扩大存在极限。即，在如本实施方式的系统那样具有涡轮增压器 22的发动机10中，也存在因高增压而产生的高负荷区域。在这种运转区域，从确保扭矩的 观点出发，空气量多的稀薄燃烧运转不适合。为此在高负荷的运转区域，进行将空燃比控制 为理论空燃比附近的化学计量燃烧运转。但是，在均质燃烧时的化学计量燃烧运转中，如上 述的图16所示，NOx的排出量会增加。
[0094] 为此在本实施方式中，在高负荷的化学计量燃烧运转区域中进行EGR。图11是表 示均质燃烧中的运转区域的图。如该图所示，在规定的高负荷的区域进行伴有EGR的均质 化学计量燃烧。另外，从NOx排出量的抑制的观点出发，EGR率高较好，但当使EGR率为25 % 以上时，紊流燃烧速度成为0,火炎传播不再进行，所以优选设定为25%左右。由此，能够利 用均质化学计量燃烧确保高负荷时的扭矩，并且能够抑制NOx排出量。
[0095] 另外，本实施方式的系统构成为能够实施借助了 LPL - EGR通路38的LPL - EGR、和 借助了 HPL - EGR通路42的HPL - EGR，但很难只利用任一方的EGR来达到25 %左右的EGR 率。图12是在HPL-EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。为了在HPL-EGR中 导入大量的EGR气体，需要增大EGR通路的配管直径、EGR阀的阀径。因此，在使用了这种 硬件结构的情况下，在发出如该图所示的那种减速要求的情况下，EGR阀的响应赶不上空气 量的变化，EGR率超过燃烧极限而发生失火。
[0096] 另一方面，图13是在LPL-EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。在 LPL - EGR中，为了导入大量的EGR气体，与上述的HPL - EGR的情况相同，也需要增大EGR通 路的配管直径、EGR阀的阀径。此外，LPL - EGR具有如下特征：与HPL - EGR相比，EGR气体 的导入量不易相对于发动机10的旋转负荷发生变化。因此，在使用了这种硬件结构的情况 下，在发出了该图所示的那种减速要求的情况下，EGR阀的响应不追随转速的变化，EGR率 超过燃烧极限而发生失火。
[0097] 为此在本实施方式中，当在均质化学计量燃烧中实现25%的EGR率的情况下，并 用LPL-EGR和HPL-EGR。更详细而言，在LPL-EGR中实现EGR率15%，在HPL-EGR中实 现其余的10%。图14是并用了由15%的EGR率进行的LPL-EGR、和由10%的EGR率进行 的HPL - EGR的情况下的时间图。采用这种结构，如该图所示，即使在发出了减速要求的情 况下，也能不超过燃烧极限地避免失火。另外，优选在能够实现10%的EGR率的范围内，利 用尽量小的配管直径和阀径来构成HPL - EGR。由此，能够提高HPL - EGR的瞬变响应性，所 以能够有效地抑制失火的发生。
[0098] 另外，在上述的实施方式中，在均质化学计量燃烧中实现25%的EGR率，但EGR率 不限定于该比率。即，根据紊流燃烧速度与NOx排出量的关系适当地设定最佳的EGR率即 可。另外，LPL - EGR与HPL - EGR的比率不限定于上述的比率，在不超过燃烧极限的范围内 根据与硬件结构的关系适当地设定最佳的比率即可。
[0099] 实施方式3.
[0100] 实施方式3的特征
[0101] 接下来，参照图15说明本发明的实施方式3。图15是详细表示LPL-EGR的结构 的图。如该图所示，LPL-EGR通路38在与排气通路30相连接的连接部，具有向该排气通 路30内突出的突出部38a。突出部38a具有端面以朝向排气通路30的上游侧即涡轮22b 侧开口的方式倾斜切断而成的形状。另外，LPL - EGR通路38在与进气通路12相连接的连 接部，具有向该进气通路12内突出的突出部38b。突出部38b具有端面以朝向进气通路12 的下游侧即压缩机22a侧开口的方式倾斜切断而成的形状。另外，LPL-EGR通路38构成 为关出部38b似于比关出部38a罪铅垂方向上方的似直。
[0102] 另外，在进气通路12中的压缩机22a的下游侧以及LPL - EGR通路38中的LPL -EGR阀40的下游侧，分别设置有用于积留通路内的冷凝水的贮存部62、64。
[0103] 采用这种结构，在排气通路30中流动的废气被突出部38a导入到LPL - EGR通路 38内。由此，能够容易地进行EGR气体的导入。另外，在LPL-EGR通路38内流动的EGR气 体被自突出部38b向进气通路12的下游方向导入，所以能够容易地进行EGR气体的导入。 此外，由于突出部38a位于比突出部38b靠铅垂方向下侧的位置，所以能够有效地避免使冷 凝水流到压缩机22a的外壳内的情况。
[0104] 另外，采用图15所示的结构，由于将LPL - EGR通路38内的冷凝水贮存在贮存部 64,所以能够有效地避免冷凝水被导入到压缩机22a的外壳内的情况。另外，如图15所示， 压缩机22a的排出口设置在铅垂下方侧，所以冷凝水不会自排出侧的进气通路12向压缩机 22a的外壳逆流，能被有效地贮存在贮存部62。由此，能够有效地保护压缩机22a不受损伤。
[0105] 附图标记说明
[0106] 10、内燃机（发动机）；12、进气通路；22、涡轮增压器；22a、压缩机；22b、涡轮；30、 排气通路；32、启动催化剂（S/C) ;38、LPL-EGR通路；38a、38b、突出部；40、LPL-EGR阀； 42、HPL - EGR 通路；46、HPL - EGR 阀；60、ECU (Electronic Control Unit，电子控制单元）； 62、64、贮存部。
【权利要求】
1. 一种内燃机的排气回流装置，其特征在于， 具有均质稀薄燃烧机构、EGR装置和控制机构， 所述均质稀薄燃烧机构在规定的稀薄燃烧区域进行均质稀薄燃烧， 所述EGR装置用于进行使在内燃机的排气系统中流动的气体的一部分向进气系统回 流的EGR， 所述控制机构基于所述内燃机的运转条件控制所述EGR装置， 在进行所述均质稀薄燃烧的情况下，所述控制机构控制所述EGR装置而进行EGR。
2. 根据权利要求1所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 所述内燃机具有涡轮增压器，该涡轮增压器具有设置在排气通路内的涡轮和设置在进 气通路内的压缩机， 所述EGR装置具有低压侧EGR装置，该低压侧EGR装置使在比所述涡轮靠下游侧的排 气通路中流动的气体向比所述压缩机靠上游侧的进气通路回流， 在进行所述均质稀薄燃烧的情况下，所述控制机构控制所述低压侧EGR装置而进行 EGR。
3. 根据权利要求1或2所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 所述EGR装置具有对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入到所述内燃机中的总气 体量的比率的EGR率进行调整的机构， 所述均质稀薄燃烧机构进行均质稀薄燃烧，以使表示被吸入的新气体量相对于所述内 燃机的缸内燃料量的比率的空燃比为22， 所述控制机构控制所述EGR装置，以使所述均质稀薄燃烧中的EGR率为10 %?20%。
4. 根据权利要求2或3所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 还具有化学计量燃烧机构，该化学计量燃烧机构在比所述稀薄燃烧区域高负荷侧的化 学计量燃烧区域进行使所述内燃机的燃烧空燃比为理论空燃比的化学计量燃烧， 所述EGR装置还具有高压侧EGR装置，该高压侧EGR装置使在比所述涡轮靠上游侧的 排气通路中流动的气体向比所述压缩机靠下游侧的进气通路回流， 在进行所述化学计量燃烧的情况下，所述控制机构控制所述高压侧EGR装置和所述低 压侧EGR装置双方而进行EGR。
5. 根据权利要求4所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 所述EGR装置具有对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入到所述内燃机中的总气 体量的比率的EGR率进行调整的机构， 在进行所述化学计量燃烧的情况下，所述控制机构控制所述低压侧EGR装置和所述高 压侧EGR装置，以使由所述低压侧EGR装置产生的EGR率为15 %、由所述高压侧EGR装置产 生的EGR率为10%。
【文档编号】F02D41/02GK104066955SQ201280067694
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年1月24日 优先权日:2012年1月24日
【发明者】能川真一郎 申请人:丰田自动车株式会社
【专利摘要】以提供在进行均质燃烧的内燃机中，将能够进行均质稀薄燃烧的运转区域扩大，从而能够实现油耗的降低以及NOx排出量的抑制的内燃机的排气回流装置为目的。包括均质稀薄燃烧机构和EGR装置，所述均质稀薄燃烧机构在规定的稀薄燃烧区域进行均质稀薄燃烧，所述EGR装置用于进行使在内燃机的排气系统中流动的气体的一部分向进气系统回流的EGR，在进行均质稀薄燃烧的情况下，控制EGR装置而进行EGR。作为EGR装置，使用使在比涡轮靠下游侧的排气通路内流动的气体向比压缩机靠上游侧的进气通路内回流的LPL–EGR装置。优选将空燃比控制为22，将EGR率控制为10％～20％。
【专利说明】内燃机的排气回流装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能够实施使废气的一部分向进气系统回流的EGR(Exhaust Gas Recirculation,废气再循环）的内燃机的排气回流装置。
【背景技术】
[0002] 以往，例如在日本特开2003 - 129874号公报中公开了一种进行使废气的一部分 向进气系统回流的EGR的带增压器的发动机的排气回流装置。在该装置中，使燃料与空气 的混合气形成分层而使火花塞附近的比较浓的混合气着火，在进行利用着火后的火种向燃 烧室内的稀薄的混合气传播火炎的分层稀薄燃烧时，进行EGR。由此，能使燃烧温度下降，所 以抑制NOx的排出量。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :日本特开2003 - 129874号公报
[0006] 专利文献2 :日本特开2005 - 214063号公报
【发明内容】
[0007] 发明要解决的问题
[0008] 但是，利用分层稀薄燃烧进行的对NOx排出量的抑制存在极限。图16是按照燃烧 方式来比较NOx排出量相对于空燃比A/F的变化的图。如该图所示，分层燃烧在稀薄燃烧 区域为空燃比越稀薄，NOx排出量越下降，但该下降的程度并不太大。这起因于：即使在分 层燃烧中进行稀薄燃烧，火花塞周围的温度也始终为高温。因此，在进行分层稀薄燃烧时通 常进行EGR，但即使这样，也不能避免一定程度的NOx排出。
[0009] 为此，近年来受到注目的技术是，使燃料与空气的混合气在缸内均匀地混合后进 行燃烧的均质燃烧。如图16所示，采用均质燃烧，与分层燃烧的情况相比，能在稀薄燃烧区 域内抑制NOx排出量。这起因于，在稀薄燃烧区域，空燃比越稀薄，燃烧室的温度整体越下 降。但是，均质稀薄燃烧在运转区域的狭窄方面存在问题。即，均质稀薄燃烧由于利用许多 新气体进行燃烧，所以排气温度下降。因而，在进行低负荷运转时，因排气净化催化剂的床 层温度下降而不能进行均质稀薄燃烧。另外，在进行高负荷运转时，因爆震的发生而使效率 下降。这样，在进行均质燃烧的以往的发动机中，在不能执行均质稀薄燃烧的运转区域，不 得不进行化学计量燃烧，从降低油耗以及抑制NOx排出量的观点出发，希望进行进一步的 改进。
[0010] 本发明是为了解决上述那样的问题而做成的，目的在于提供一种在进行均质燃烧 的内燃机中，将能够进行均质稀薄燃烧的运转区域扩大，从而能够实现油耗的降低以及NOx 排出量的抑制的内燃机的排气回流装置。
[0011] 用于解决问题的方案
[0012] 为了达到上述目的，第1技术方案的内燃机的排气回流装置的特征在于，包括均 质稀薄燃烧机构、EGR装置和控制机构，
[0013] 上述均质稀薄燃烧机构在规定的稀薄燃烧区域进行均质稀薄燃烧，
[0014] 上述EGR装置用于进行使在内燃机的排气系统中流动的气体的一部分向进气系 统回流的EGR，
[0015] 上述控制机构基于上述内燃机的运转条件控制上述EGR装置，
[0016] 在进行上述均质稀薄燃烧的情况下，上述控制机构控制上述EGR装置而进行EGR。 [0017] 第2技术方案在第1技术方案的基础上，其特征在于，
[0018] 上述内燃机具有涡轮增压器，该涡轮增压器包括设置在排气通路内的涡轮和设置 在进气通路内的压缩机，
[0019] 上述EGR装置具有低压侧EGR装置，该低压侧EGR装置使在比上述涡轮靠下游侧 的排气通路中流动的气体，向比上述压缩机靠上游侧的进气通路回流，
[0020] 在进行上述均质稀薄燃烧的情况下，上述控制机构控制上述低压侧EGR装置而进 行 EGR。
[0021] 第3技术方案在第1技术方案或第2技术方案的基础上，其特征在于，
[0022] 上述EGR装置具有如下机构，该机构对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入 到上述内燃机中的总气体量的比率的EGR率进行调整，
[0023] 上述均质稀薄燃烧机构以使表示被吸入的新气体量相对于上述内燃机的缸内燃 料量的比率的空燃比为22的方式，进行均质稀薄燃烧，
[0024] 上述控制机构以上述均质稀薄燃烧中的EGR率为10 %?20 %的方式控制上述EGR 装直。
[0025] 第4技术方案在第2技术方案或第3技术方案的基础上，其特征在于，
[0026] 还具有化学计量燃烧机构，该化学计量燃烧机构在比上述稀薄燃烧区域高负荷侧 的化学计量燃烧区域，进行使上述内燃机的燃烧空燃比为理论空燃比的化学计量燃烧，
[0027] 上述EGR装置还具有高压侧EGR装置，该高压侧EGR装置使在比上述涡轮靠上游 侧的排气通路内流动的气体向比上述压缩机靠下游侧的进气通路内回流，
[0028] 上述控制机构在进行上述化学计量燃烧的情况下，控制上述高压侧EGR装置和上 述低压侧EGR装置双方而进行EGR。
[0029] 第5技术方案在第4技术方案的基础上，其特征在于，
[0030] 上述EGR装置具有如下机构，该机构对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入 到上述内燃机中的总气体量的比率的EGR率进行调整，
[0031] 上述控制机构在进行上述化学计量燃烧的情况下，以使由上述低压侧EGR装置进 行的EGR率为15%、由上述高压侧EGR装置进行的EGR率为10%的方式，控制上述低压侧 EGR装置和上述高压侧EGR装置。
[0032] 发明效果
[0033] 采用第1技术方案，由于在进行均质稀薄燃烧时进行EGR，所以能够有效地抑制在 进行均质稀薄燃烧时成为问题的在高负荷侧发生的爆震。另外，EGR气体中含有的C0、HC 有助于催化剂中的氧化反应。因此，能够有效地抑制在进行均质稀薄燃烧时成为问题的低 负荷侧的催化剂床层温度的下降。因此，采用本发明，能将能够进行均质稀薄燃烧的稀薄燃 烧区域有效地扩大而降低油耗。
[0034] 采用第2技术方案，在进行均质稀薄燃烧时执行由低压侧EGR装置进行的EGR。由 低压侧EGR装置进行的EGR相对于内燃机的旋转负荷是稳定的。因此，采用本发明，即使在 内燃机的瞬变运转时，也能实现稳定的EGR，所以能够防止失火等。
[0035] 采用第3技术方案，当在均质稀薄燃烧的过程中进行EGR时，将空燃比控制为22， 将EGR率控制为10%?20%。EGR率越高，油耗越高，但是能将能够进行均质稀薄燃烧的运 转区域扩大。因此，采用本发明，通过在进行均质稀薄燃烧时将空燃比控制为22,将EGR率 控制为10%?20%，能够最大限度地降低油耗。
[0036] 采用第4技术方案，当在比稀薄燃烧区域高负荷的化学计量燃烧区域进行化学计 量燃烧的情况下，进行使用了低压侧EGR装置和高压侧EGR装置双方的EGR。在各EGR装置 中避免失火且能导入的EGR量存在极限。采用本发明，通过并用这些EGR装置，能够在进行 高负荷的化学计量燃烧时导入大量的EGR气体，所以能够确保高负荷时的扭矩，并且抑制 NOx的排出量。
[0037] 采用第5技术方案，当在化学计量燃烧的过程中进行EGR动作时，将低压侧EGR装 置的EGR率控制为15 %，将高压侧EGR装置的EGR率控制为10%。当设定为大于25 %的 EGR率时，紊流燃烧速度成为0,火炎传播不再进行。另外，当只利用一方的EGR装置实现 25%的EGR率时，瞬变时的减速失火、响应性的劣化等成为问题。因此，采用本发明，通过在 进行化学计量燃烧时并用高压侧和低压侧EGR装置来实现25 %的EGR率，能够抑制瞬变时 的减速失火、响应性的劣化，并且能够最大限度地抑制NOx的排出量。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1是表示搭载有应用了作为本发明的实施方式1的控制装置的内燃机的系统的 大概结构的图。
[0039] 图2是表示相对于进气压力的发动机热效率的图。
[0040] 图3是按照每种EGR率表示相对于气体燃料比G/F的发动机热效率的图。
[0041] 图4是表示相对于气体燃料比G/F的（Α)Ν0χ排出量、（B)C0排出量、（C)THC排出 量和（D)S/C床层温度的图。
[0042] 图5是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施有无来分别表示相对于进气压力的（A) 热效率、（B) NOx排出量和（C)S/C升温的变化的图。
[0043] 图6是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施的有无来分别表示相对于NOx排出量的 S/C床层温度的图。
[0044] 图7是表示均质燃烧中的稀薄燃烧运转区域的图。
[0045] 图8是按照每种EGR率来表示NOx排出量与A/F的关系的图。
[0046] 图9是分别表示相对于EGR率的（A)NOx排出量成为规定的目标量的A/F、（B)由 稀薄燃烧获得的油耗降低效果、（C)因稀薄燃烧运转的区域缩小而发生的油耗的升高度、以 及（D)综合的油耗降低效果的图。
[0047] 图10是分别表示相对于EGR率的⑷NOx排出量成为规定的目标量的A/F、⑶由 稀薄燃烧获得的油耗降低效果、（C)由爆震的改善而获得的油耗降低效果、以及（D)综合的 油耗降低效果的图。
[0048] 图11是表示均质燃烧时的运转区域的图。
[0049] 图12是在HPL - EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。
[0050] 图13是在LPL - EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。
[0051] 图14是在并用了由15%的EGR率进行的LPL-EGR和由10%的EGR率进行的 HPL - EGR的情况下的时间图。
[0052] 图15是详细地说明LPL - EGR的结构的图。
[0053] 图16是按照燃烧形态来比较NOx排出量相对于空燃比A/F的变化的图。
【具体实施方式】
[0054] 下面，根据【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。另外，对于各图中共用的要素，标注相同 的附图标记而省略重复的说明。另外，以下的实施方式并不限定本发明。
[0055] 实施方式1.
[0056] 实施方式1的结构
[0057] 图1是表示搭载有应用了作为本发明的实施方式1的控制装置的内燃机（以下简 称为发动机）的系统的大概结构的图。图1所示的发动机10是火花点火式的4冲程往复 式发动机，构成为能够由均质燃烧进行稀薄燃烧运转。发动机10包括用于向各缸的燃烧室 内供给空气的进气系统、用于将废气排出的排气系统、使排气系统的废气的一部分向进气 系统回流的EGR系统、以及用于控制发动机10的运转的控制系统的结构。下面，分别详细 说明上述系统的结构。
[0058] 发动机10的进气系统具有进气通路12。在进气通路12的入口侧安装有空气滤 清器14。在进气通路12中的空气滤清器14的下游侧，安装有输出与被吸入到进气通路12 内的空气的流量相对应的信号的空气流量计16。进气通路12的出口侧借助稳压箱18和进 气歧管20与各缸的燃烧室相连接。
[0059] 在进气通路12中的空气流量计16的下游侧配置有涡轮增压器22的压缩机22a。 在压缩机22a的下游侧的进气通路12中配置有中冷器24,该中冷器24用于将利用压缩机 22a压缩了的进气冷却。在中冷器24的下游侧的进气通路配置有用于对供给到发动机10 内的空气量进行调整的节气门26。
[0060] 发动机10的排气系统具有排气通路30。排气通路30的一端侧借助排气歧管28 与各缸的燃烧室相连接。在排气通路30的中途配置有涡轮增压器22的涡轮22b。在涡轮 22b的下游侧的排气通路30内依次配置有启动催化剂（以下称为"S/C") 32和稀薄NOx催 化剂34。S/C32是所谓的三元催化剂，在理论空燃比附近有效地净化废气中含有的HC、C0、 NOx这3种成分。另一方面，稀薄NOx催化剂34是所谓的吸附还原型的NOx催化剂，具有如 下的吸收放出作用：在废气的空燃比位于规定的稀薄区域内的情况下，吸附NOx，在位于浓 区域内的情况下，放出NOx。另外，在S/C32与稀薄NOx催化剂34之间的排气通路30内配 置有用于将废气中的NOx浓度检测出来的NOx传感器36。
[0061] 另外，发动机10的EGR系统具有低压侧EGR通路（LPL - EGR通路）38。LPL - EGR 通路38的一端连接于S/C32与稀薄NOx催化剂34之间的排气通路30,另一端连接于空气 流量计16与压缩机22a之间的进气通路12。在LPL - EGR通路38的中途设置有用于开闭 该通路38的LPL - EGR阀40。
[0062] 另外，发动机10的EGR系统具有高压侧EGR通路（HPL - EGR通路）42。HPL - EGR 通路42的一端与涡轮22b的上游侧的排气通路30相连接，另一端借助EGR输送装置44与 进气歧管20相连接。在HPL - EGR通路42的中途自EGR输送装置44侧依次设置有用于开 闭该通路42的HPL - EGR阀46、用于冷却EGR气体的EGR冷却器48、以及用于净化EGR气 体中的未燃HC、粒子状物质的EGR催化剂50。
[0063] 本实施方式的发动机10具有EQJ (Electronic Control Unit,电子控制单元）60， 来作为控制系统。上述的LPL - EGR阀40、HPL - EGR阀46、节气门26和火花塞（未图示） 等各种促动器与ECU60的输出侧相连接。除了上述的空气流量计16和NOx传感器36以外， 输出与曲轴（未图示）的旋转角度相对应的信号的曲轴转角传感器、空燃比传感器（均未 图示）等各种传感器类部件与ECU60的输入侧相连接。ECU60基于发动机所具有的各传感 器的输出，按照规定的控制程序使发动机所具有的各促动器进行动作。
[0064] 实施方式1的动作
[0065] 接下来，参照【专利附图】
【附图说明】本实施方式1的系统的动作。如上所述，本实施方式的发动 机10构成为能够由均质燃烧进行稀薄燃烧运转。因此，例如在图16所示的例子中，通过进 行使空燃比A/F为26?28的均质稀薄燃烧，与伴有EGR的分层稀薄燃烧相比，能够抑制 NOx排出量。
[0066] 但是，如上所述，均质稀薄燃烧在其运转区域的狭窄方面存在问题。即，均质稀薄 燃烧虽然能够抑制NOx排出量，但另一方面可能在轻负荷运转区域内不必要地使废气温度 下降。在这种运转区域内，因 S/C32的床层温度的下降而发生的NOx净化性能的下降成为 问题，所以要求进行化学计量燃烧运转。另外，均质稀薄燃烧对爆震的耐性低，所以要求在 高负荷运转区域进行化学计量燃烧运转。这样，在进行均质燃烧的发动机中，能如何扩大稀 薄燃烧运转区域，对油耗的降低以及NOx排出量的抑制产生较大的影响。
[0067] 为此，在本实施方式的系统中，在进行发动机10的均质稀薄燃烧时实施EGR。图2 是表示相对于进气压力的发动机热效率的图。如该图所示，可知当在均质稀薄燃烧中实施 EGR时，与不实施EGR的情况相比，高负荷运转区域内的发动机热效率提高。这起因于，EGR 气体中的C02作为惰性气体发挥作用，在高负荷运转区域抑制爆震的发生。
[0068] 另外，图3是按照每种EGR率来表示相对于气体燃料比G/F的发动机热效率的图。 另外，气体燃料比G/F可以利用下述式（1)来表示。
[0069] G/F = (Ga+Gegr)/Gf
[0070] = A/FX (1/(1 -EGR/100))......(1)
[0071] 在上述式（1)中，A/F是空燃比，S卩，新气体与燃料量的比，EGR是EGR率[%]。另 夕卜，Ga是新气体量[g/s]，Gegr是EGR气体量[g/s]，Gf是燃料消耗量[g/s]。
[0072] 如该图所示，可知实施了 EGR的情况的发动机热效率比不导入EGR的情况（EGR率 为〇%的情况）的发动机热效率高。特别是在G/F为26?28的稀薄燃烧区域，可知EGR率 为15 %的情况下的发动机热效率成为最高的值。这样，采用本实施方式的系统，通过在均质 燃烧中实施EGR，能够向高负荷侧有效地扩大稀薄燃烧区域。
[0073] 接下来，图4是表示相对于气体燃料比G/F的（A)NOx排出量、⑶C0排出量、（C) THC排出量以及（D)S/C床层温度的图。如图中㈧?（C)所示，可知当比较均质燃烧中等 G/F时的NOx排出量时，实施了 EGR的情况比不实施的情况的NOx排出量少，相反C0、HC的 排出量多。C0、HC在S/C32内用于氧化反应。因此，如图中（D)所示，当在均质燃烧中实施 EGR时，能在稀薄燃烧运转区域内有效地抑制S/C32的床层温度的下降。
[0074] 图5是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施的有无来分别表示相对于进气压力的 ㈧热效率、⑶NOx排出量以及（C)S/C升温的变化。如该图中的（C)所示，当在均质稀薄 燃烧中不实施EGR的情况下，在低负荷的区域，S/C32的床层温度不会到达至规定的目标床 层温度，所以不能进行稀薄燃烧运转。这一点，当在均质稀薄燃烧中实施了 EGR的情况下， 能在低负荷的区域使S/C32的床层温度有效地升温，所以能使能够进行稀薄燃烧运转的区 域向低负荷侧有效地扩大。
[0075] 另外，图6是按照均质稀薄燃烧中的EGR的实施的有无来分别表示相对于NOx排 出量的S/C床层温度的图。如该图所示，可知当在均质稀薄燃烧中实施EGR时，相对于NOx 的排出量的S/C32的床层温度效率佳。因而，通过在均质稀薄燃烧中实施EGR，能够以高水 平兼顾NOx的排出量的抑制和由稀薄燃烧运转区域的扩大而获得的油耗的降低。
[0076] 如上所述，当在均质稀薄燃烧中实施EGR时，能够有效地扩大能够进行稀薄燃烧 运转的运转区域。图7是表示均质燃烧时的稀薄燃烧运转区域的图。如该图所示，当在均 质燃烧中实施EGR时，能够向高负荷侧和低负荷侧扩大稀薄燃烧运转。由此，能够以高水平 兼顾由均质稀薄燃烧获得的NOx排出量的抑制和由稀薄燃烧运转区域的扩大而获得的油 耗的降低。
[0077] 本申请的发明人关于均质稀薄燃烧的空燃比和EGR率反复进行了潜心研究，结果 从NOx排出量的抑制以及油耗的降低的观点出发，发现了较佳的空燃比和EGR率的组合。详 细而言，发现当EGR率为10%?20% (优选为15% )、A/F为22时，能够抑制NOx排出量， 并且油耗最低。下面，分别从S/C床层温度的观点和爆震的观点出发，说明此结论的根据。
[0078] 首先，从S/C床层温度的观点出发，考察均质稀薄燃烧时的EGR的油耗降低效果。 图8是按照每种EGR率表示NOx排出量与A/F的关系的图。如图8所示，用于满足NOx排 出量的目标值（例如lg/kWh)的A/F根据EGR率进行变化。
[0079] 图9是分别表示相对于EGR率的（A)NOx排出量成为规定的目标量的A/F、（B)由 稀薄燃烧获得的油耗降低效果、（C)因稀薄燃烧运转的区域缩小而发生的油耗的升高度、以 及（D)综合的油耗降低效果的图。首先，图9中的（A)所示的关系是从上述的图8所示的 关系中导出的。如图9中的（A)所示，EGR率越高，NOx排出量满足目标量的情况下的A/F 越成为浓侧的空燃比。这里，如图9中的（B)所示，EGR率越低，NOx排出量满足目标量的情 况下的由稀薄燃烧获得的油耗降低效果越高。这是因为，通常的稀薄燃烧比伴有EGR气体 的燃烧的油耗低。因此，从内燃机燃烧的观点出发，对于油耗的降低，优选降低EGR率。
[0080] 另一方面，如图9中的（C)所示，EGR率越高，NOx排出量满足目标量的情况下的、 因稀薄燃烧运转的区域的缩小而引发的油耗的升高度越趋向改进方向。这是因为，EGR率 越高，越能抑制S/C32的床层温度的下降，所以能够扩大稀薄燃烧运转的低负荷侧的运转 区域。因此，从低负荷侧的运转区域的限制的观点出发，对于油耗的降低，优选使EGR率升 商。
[0081] 图9中的⑶是综合性地考虑图中⑶和（C)所示的油耗影响后得到的图。如图 中⑶所示，可知在EGR率为10%?20% (特别是15% )、A/F为22左右时，油耗降低效 果高。
[0082] 接下来，从爆震的观点出发，考察均质稀薄燃烧时的EGR的油耗降低效果。图10 是分别表示相对于EGR率的（A)NOx排出量成为规定的目标量的A/F、（B)由稀薄燃烧获得 的油耗降低效果、（C)由爆震的改善而获得的油耗降低效果、以及（D)综合的油耗降低效果 的图。
[0083] 首先，图10中的㈧和⑶所示的关系与上述的图9中的㈧和⑶所示的关系 相同。并且，如图10中的（C)所示，EGR率越高，NOx排出量满足目标量的情况下的、因爆震 被改进而获得的油耗降低效果越趋向油耗降低的方向。这是因为，EGR率越高，燃烧室内的 C02的比例越相对地上升，爆震的耐性越高。因此，从爆震的观点出发，对于油耗的降低，优 选升高EGR率。
[0084] 图10中的⑶是综合性地考虑图中⑶和（C)所示的油耗影响后得到的图。如 图中⑶所示，可知当EGR率为10%?20% (特别是为15% )、A/F为22左右时，油耗降 低效果高。
[0085] 因而，当在发动机10中进行均质稀薄燃烧的情况下，通过以EGR率为10%?20% (更优选EGR率为15% )、A/F为22的方式进行运转，能够将NOx排出量抑制为目标量，并 且能够最大限度地降低油耗。
[0086] 接下来，说明本实施方式的系统中的EGR动作。本实施方式的系统具有如下特征： 能够实施借助了 LPL - EGR通路38的LPL - EGR、和借助了 HPL - EGR通路42的HPL - EGR， 但LPL - EGR与HPL - EGR相比，EGR气体的导入量相对于发动机10的旋转负荷不易变化。 另外，在进行稀薄燃烧时，在规定的正时执行强脉冲（日文：^ 7 4控制。因此， 在利用强脉冲控制打乱了排气压力的内燃机中，不能进行稳定的HPL - EGR。
[0087] 为此，在进行本实施方式的均质稀薄燃烧时，利用LPL - EGR导入EGR气体。由此， 能够稳定地实现期望的EGR率（例如15% )，所以能够可靠地实现NOx排出量的抑制和油 耗的降低。
[0088] 另外，在上述的实施方式中，作为均质稀薄燃烧时的EGR的条件，并未特别清楚地 记载发动机10的预热条件，但在水温低的预热过程中，不能实施EGR。这是因为，在发动机 预热前，自EGR气体（废气）产生冷凝水，这可能损坏压缩机22a等。为此在本实施方式中， 作为避免由冷凝水产生的危险性的状态，也可以例如将水温为70°C以上作为均质稀薄燃烧 时的EGR的条件。由此，能够保护发动机10的构成零件，并且能够实施EGR。
[0089] 另外，在上述的实施方式中，在均质稀薄燃烧中将空燃比设定为22,将EGR率设定 为10%?20%，但空燃比和EGR率不限定于该比率。即，根据油耗降低效果与NOx排出量 的关系适当地设定最佳的空燃比和EGR率即可。
[0090] 实施方式2.
[0091] 实施方式2的特征
[0092] 接下来，参照图11至图14说明本发明的实施方式2。在上述的实施方式1的系 统中，通过在进行均质稀薄燃烧时进行EGR，能够抑制高负荷时的爆震，并且抑制低负荷时 的S/C32的床层温度的下降。由此，能使能够进行稀薄燃烧运转的运转区域分别向高负荷 侧和低负荷侧扩大，所以能够抑制NOx排出量，并且能够降低油耗。
[0093] 但是，运转区域的扩大存在极限。即，在如本实施方式的系统那样具有涡轮增压器 22的发动机10中，也存在因高增压而产生的高负荷区域。在这种运转区域，从确保扭矩的 观点出发，空气量多的稀薄燃烧运转不适合。为此在高负荷的运转区域，进行将空燃比控制 为理论空燃比附近的化学计量燃烧运转。但是，在均质燃烧时的化学计量燃烧运转中，如上 述的图16所示，NOx的排出量会增加。
[0094] 为此在本实施方式中，在高负荷的化学计量燃烧运转区域中进行EGR。图11是表 示均质燃烧中的运转区域的图。如该图所示，在规定的高负荷的区域进行伴有EGR的均质 化学计量燃烧。另外，从NOx排出量的抑制的观点出发，EGR率高较好，但当使EGR率为25 % 以上时，紊流燃烧速度成为0,火炎传播不再进行，所以优选设定为25%左右。由此，能够利 用均质化学计量燃烧确保高负荷时的扭矩，并且能够抑制NOx排出量。
[0095] 另外，本实施方式的系统构成为能够实施借助了 LPL - EGR通路38的LPL - EGR、和 借助了 HPL - EGR通路42的HPL - EGR，但很难只利用任一方的EGR来达到25 %左右的EGR 率。图12是在HPL-EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。为了在HPL-EGR中 导入大量的EGR气体，需要增大EGR通路的配管直径、EGR阀的阀径。因此，在使用了这种 硬件结构的情况下，在发出如该图所示的那种减速要求的情况下，EGR阀的响应赶不上空气 量的变化，EGR率超过燃烧极限而发生失火。
[0096] 另一方面，图13是在LPL-EGR中实现了 25%的EGR率的情况下的时间图。在 LPL - EGR中，为了导入大量的EGR气体，与上述的HPL - EGR的情况相同，也需要增大EGR通 路的配管直径、EGR阀的阀径。此外，LPL - EGR具有如下特征：与HPL - EGR相比，EGR气体 的导入量不易相对于发动机10的旋转负荷发生变化。因此，在使用了这种硬件结构的情况 下，在发出了该图所示的那种减速要求的情况下，EGR阀的响应不追随转速的变化，EGR率 超过燃烧极限而发生失火。
[0097] 为此在本实施方式中，当在均质化学计量燃烧中实现25%的EGR率的情况下，并 用LPL-EGR和HPL-EGR。更详细而言，在LPL-EGR中实现EGR率15%，在HPL-EGR中实 现其余的10%。图14是并用了由15%的EGR率进行的LPL-EGR、和由10%的EGR率进行 的HPL - EGR的情况下的时间图。采用这种结构，如该图所示，即使在发出了减速要求的情 况下，也能不超过燃烧极限地避免失火。另外，优选在能够实现10%的EGR率的范围内，利 用尽量小的配管直径和阀径来构成HPL - EGR。由此，能够提高HPL - EGR的瞬变响应性，所 以能够有效地抑制失火的发生。
[0098] 另外，在上述的实施方式中，在均质化学计量燃烧中实现25%的EGR率，但EGR率 不限定于该比率。即，根据紊流燃烧速度与NOx排出量的关系适当地设定最佳的EGR率即 可。另外，LPL - EGR与HPL - EGR的比率不限定于上述的比率，在不超过燃烧极限的范围内 根据与硬件结构的关系适当地设定最佳的比率即可。
[0099] 实施方式3.
[0100] 实施方式3的特征
[0101] 接下来，参照图15说明本发明的实施方式3。图15是详细表示LPL-EGR的结构 的图。如该图所示，LPL-EGR通路38在与排气通路30相连接的连接部，具有向该排气通 路30内突出的突出部38a。突出部38a具有端面以朝向排气通路30的上游侧即涡轮22b 侧开口的方式倾斜切断而成的形状。另外，LPL - EGR通路38在与进气通路12相连接的连 接部，具有向该进气通路12内突出的突出部38b。突出部38b具有端面以朝向进气通路12 的下游侧即压缩机22a侧开口的方式倾斜切断而成的形状。另外，LPL-EGR通路38构成 为关出部38b似于比关出部38a罪铅垂方向上方的似直。
[0102] 另外，在进气通路12中的压缩机22a的下游侧以及LPL - EGR通路38中的LPL -EGR阀40的下游侧，分别设置有用于积留通路内的冷凝水的贮存部62、64。
[0103] 采用这种结构，在排气通路30中流动的废气被突出部38a导入到LPL - EGR通路 38内。由此，能够容易地进行EGR气体的导入。另外，在LPL-EGR通路38内流动的EGR气 体被自突出部38b向进气通路12的下游方向导入，所以能够容易地进行EGR气体的导入。 此外，由于突出部38a位于比突出部38b靠铅垂方向下侧的位置，所以能够有效地避免使冷 凝水流到压缩机22a的外壳内的情况。
[0104] 另外，采用图15所示的结构，由于将LPL - EGR通路38内的冷凝水贮存在贮存部 64,所以能够有效地避免冷凝水被导入到压缩机22a的外壳内的情况。另外，如图15所示， 压缩机22a的排出口设置在铅垂下方侧，所以冷凝水不会自排出侧的进气通路12向压缩机 22a的外壳逆流，能被有效地贮存在贮存部62。由此，能够有效地保护压缩机22a不受损伤。
[0105] 附图标记说明
[0106] 10、内燃机（发动机）；12、进气通路；22、涡轮增压器；22a、压缩机；22b、涡轮；30、 排气通路；32、启动催化剂（S/C) ;38、LPL-EGR通路；38a、38b、突出部；40、LPL-EGR阀； 42、HPL - EGR 通路；46、HPL - EGR 阀；60、ECU (Electronic Control Unit，电子控制单元）； 62、64、贮存部。
【权利要求】
1. 一种内燃机的排气回流装置，其特征在于， 具有均质稀薄燃烧机构、EGR装置和控制机构， 所述均质稀薄燃烧机构在规定的稀薄燃烧区域进行均质稀薄燃烧， 所述EGR装置用于进行使在内燃机的排气系统中流动的气体的一部分向进气系统回 流的EGR， 所述控制机构基于所述内燃机的运转条件控制所述EGR装置， 在进行所述均质稀薄燃烧的情况下，所述控制机构控制所述EGR装置而进行EGR。
2. 根据权利要求1所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 所述内燃机具有涡轮增压器，该涡轮增压器具有设置在排气通路内的涡轮和设置在进 气通路内的压缩机， 所述EGR装置具有低压侧EGR装置，该低压侧EGR装置使在比所述涡轮靠下游侧的排 气通路中流动的气体向比所述压缩机靠上游侧的进气通路回流， 在进行所述均质稀薄燃烧的情况下，所述控制机构控制所述低压侧EGR装置而进行 EGR。
3. 根据权利要求1或2所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 所述EGR装置具有对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入到所述内燃机中的总气 体量的比率的EGR率进行调整的机构， 所述均质稀薄燃烧机构进行均质稀薄燃烧，以使表示被吸入的新气体量相对于所述内 燃机的缸内燃料量的比率的空燃比为22， 所述控制机构控制所述EGR装置，以使所述均质稀薄燃烧中的EGR率为10 %?20%。
4. 根据权利要求2或3所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 还具有化学计量燃烧机构，该化学计量燃烧机构在比所述稀薄燃烧区域高负荷侧的化 学计量燃烧区域进行使所述内燃机的燃烧空燃比为理论空燃比的化学计量燃烧， 所述EGR装置还具有高压侧EGR装置，该高压侧EGR装置使在比所述涡轮靠上游侧的 排气通路中流动的气体向比所述压缩机靠下游侧的进气通路回流， 在进行所述化学计量燃烧的情况下，所述控制机构控制所述高压侧EGR装置和所述低 压侧EGR装置双方而进行EGR。
5. 根据权利要求4所述的内燃机的排气回流装置，其特征在于， 所述EGR装置具有对表示利用EGR回流的气体量相对于被吸入到所述内燃机中的总气 体量的比率的EGR率进行调整的机构， 在进行所述化学计量燃烧的情况下，所述控制机构控制所述低压侧EGR装置和所述高 压侧EGR装置，以使由所述低压侧EGR装置产生的EGR率为15 %、由所述高压侧EGR装置产 生的EGR率为10%。
【文档编号】F02D41/02GK104066955SQ201280067694
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年1月24日 优先权日:2012年1月24日
【发明者】能川真一郎 申请人:丰田自动车株式会社
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