專利名稱：預混合壓縮著火內燃機及其吸排氣裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及令排氣作為EGR氣體向燃燒室回流的預混合壓縮著火內 燃機及其吸排氣裝置。
背景技術：
近年，在內燃機的領域內，關注能夠得到良好的油耗性以及熱效率的 預混合壓縮著火內燃機而進行各種各樣的研究。大多的預混合壓縮著火內 燃機構成為，在吸氣通路內混合燃料和空氣，并將生成的混合氣供給到燃 燒室。并且，被封入到燃燒室內的混合氣在壓縮行程時，隨著由活塞上升 導致的高溫高壓化而自燃。在這樣的預混合壓縮著火內燃機中，作為用于 實用化的課題之一，公知有可穩(wěn)定控制預混合壓縮著火燃燒(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition)的運轉區(qū)域還很狹小的問 題。因此，為了避免這個問題，首先，對于常用的運轉區(qū)域比較狹小的定 置型發(fā)動機，例如GHP (燃氣熱力泵)用燃氣發(fā)動機等，進行使預混合壓 縮著火內燃機實用化的工作。此外，還提出了如下切換適宜的運轉的方案壓s i火燃燒，在高轉速區(qū)域以及極低負荷以及荷區(qū)域中進;亍火A點火燃燒(SI， Spark Ignition )。在預混合壓縮著火內燃機中，可穩(wěn)定控制預混合壓縮著火燃燒的運轉 區(qū)域還4艮狹小。以下，對于這個問題進行詳述。例如，在低負荷運轉區(qū)域 中，供給到燃燒室內的混合氣的量較少，缸內溫度難以上升，因此著火性 惡化，容易發(fā)生發(fā)動機不發(fā)火。而且，為了抑制這樣的發(fā)動機不發(fā)火的發(fā) 生，公知有如下方案對于吸氣閥、排氣閥的配氣正時設置負的氣門重疊 角(overlap),以便能令已燃氣體的一部分殘留在燃燒室內，遺留到下次 燃燒，即運用所謂內部EGR。通過這樣地利用內部EGR,令高溫的內部EGR 氣體和新供給到燃燒室內的混合氣混合而使缸內溫度上升，因此提升預混 合壓縮著火燃燒時的著火性，并抑制發(fā)動機不發(fā)火。但是，若在外部氣體溫度低等時條件進一步惡化，則燃燒室內溫度低，并且，^b啦獲得高溫的 內部EGR,因此，即使運用內部EGR，也有可能^艮難引起預混合壓縮著火，并發(fā)生發(fā)動纟幾不發(fā)火。在內部EGR以外，作為令燃燒室內的缸內溫度上升的方法還公知有下 述方法例如，在柴油發(fā)動機中，令在預熱交換器等的加熱機構中被加熱 的吸氣(混合氣)流入到燃燒室，即，利用進行吸氣加熱來防止發(fā)動機不 發(fā)火的發(fā)生。另一方面，在預混合壓縮著火內燃機中，在高負荷運轉區(qū)域中，發(fā)生 爆震、過早著火這類的異常燃燒。并且，為了抑制這樣的異常燃燒的發(fā)生， 公知有利用外部EGR (Exhaust Gas Recirculation,排氣再循環(huán))的方 法。因為剛從排氣通路取出的外部EGR氣體為高溫，所以在EGR通路中途 設置的EGR冷卻器中被冷卻，以便不惡化吸氣的體積效率。并且，通過令 被EGR冷卻器冷卻的EGR氣體向燃燒室內回流，利用非活性氣體的增加而 令燃燒室的燃燒狀態(tài)減慢。作為成為加熱裝置的熱交換器，或者成為EGR冷卻器的熱交換器的一 例，在專利文獻1的特表2005 - 517857號公報中，公開了運用熱交換器 12進行吸氣的加熱和外部EGR氣體的冷卻的技術(參照專利文獻1的圖 2)。在該才支術中，運用同一的冷卻水進行EGR氣體的冷卻以及吸氣加熱， 由此將熱交換機構形成為比較簡單。但是，上述的專利文獻l的熱交換器的構造為雖然框體有一個，但 是在其內部有分別的第1熱交換部和第2熱交換部，在各個熱交換部中通 過分別的系統(tǒng)進行EGR氣體的冷卻和吸氣加熱。因此，專利文獻l的熱交 換器，與以往的兩個熱交換器相比較可以實現(xiàn)省空間化，但是與只有一個 熱交換部的一般的一個熱交換器相比還是大型化。此外，在使用專利文獻 l的熱交換器的內燃機中，包括構成吸氣通路以及EGR通路的配管、和冷 卻水用的配管，需要在一個熱交換器上連接多個配管，要在內燃機周邊配 置而在設計上的制約比較嚴格。發(fā)明內容因此，本發(fā)明的目的在于提供一種可以更加節(jié)省空間，并可以進行 EGR氣體的冷卻以及吸氣加熱的預混合壓縮著火內燃機及其吸排氣裝置。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的預混合壓縮著火內燃機具有燃燒室； 吸氣通路，作為向該燃燒室的吸氣的通路；排氣通路，作為自上述燃燒室 的排氣的通路；EGR通路，與該排氣通路以及上述吸氣通路連通，用于令來自上述燃燒室的排氣的一部分作為EGR氣體向上述燃燒室回流；熱交換 器，被設置在該EGR通路的中途，進行EGR氣體的冷卻；EGR閥，被設置 在上述EGR通路的中途，用于調整上述EGR通路的開閉狀態(tài)；加熱用吸氣 通路，在上述吸氣通路中從形成在比上述EGR通路的下游端更靠上游側處 的分支部分支，并且下游端與在上述EGR通路中的上述熱交換器的上游側 連通；切換閥，用于調整在比上述分支部更靠下游側分別通過上述吸氣通 路以及上述加熱用吸氣通路的吸氣的量；控制才幾構，如下地進行控制在 上述EGR閥關閉時，切換上述切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述 分支部的下游側通過上述吸氣通路以及上述加熱用吸氣通路的至少某一 個，在上述EGR閥打開時，切換上述切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣 在上述分支部的下游側〗又通過上述吸氣通路。此外，為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供一種預混合壓縮著火內燃機 的吸排氣裝置，用于具有燃燒室、和作為從該燃燒室的排氣的通路的排氣 通路的預混合壓縮著火內燃機。而且具有吸氣通路，通向上述燃燒室； EGR通路，連通到上述排氣通路以及上述吸氣通路，用于令來自上述燃燒 室的排氣作為EGR氣體而向上述燃燒室回流；熱交換器，被設置在該EGR 通路的中途，進行EGR氣體的冷卻；EGR閥，被設置在上述EGR通路的中 途，用于開閉上述EGR通路；加熱用吸氣通路，在上述吸氣通路中從形成 在比上述EGR通路的下游端更靠上游側處的分支部分支，并且下游端與在 上述EGR通路中的上述熱交換器的上游側連通；切換閥，用于調整在比上 述分支部更靠下游側分別通過上述吸氣通^各以及上述加熱用吸氣通路的 吸氣的量；控制機構，如下地進行控制在上述EGR閥關閉時，切換上述 切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述分支部的下游側通過上述吸 氣通路以及上述加熱用吸氣通路的至少某一個，在上述EGR閥打開時，切 換上述切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述分支部的下游側僅通 過上述吸氣通^^。


圖1是本發(fā)明的一實施方式的預混合壓縮著火內燃機及吸排氣裝置 的整體扭無要圖。圖2是表示圖1的預混合壓縮著火內燃機的EGR閥及切換閥的控制狀 態(tài)的圖表。圖3是表示使用圖1的預混合壓縮著火內燃機時的運轉區(qū)域的概要圖。圖4是表示圖1的預混合壓縮著火內燃機的第1變形例的整體概要圖。圖5是表示圖1的預混合壓縮著火內燃機的第2變形例的整體概要圖。圖6是表示在圖1的預混合壓縮著火內燃機中，不運用增壓器而擴大 預混合壓縮著火燃燒可運轉的區(qū)域時的運轉區(qū)域的概要圖。
具體實施方式
以下，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。 (整體構成)參照圖1說明本發(fā)明的一實施方式的預混合壓縮著火內燃機及其吸 排氣裝置的整體構成。在以下的說明中，"吸氣"是指被供給到燃燒室內 的氣體(例如，吸入空氣以及氣體燃料混合而成的氣體、吸入空氣和氣體 燃料和外部EGR氣體混合而成的氣體等)，"混合氣，，是指吸入空氣以及氣 體燃料混合而成的氣體。如圖1所示，預混合壓縮著火內燃機l,具有燃燒室10、通向燃燒室 10的吸氣通路llp、以及作為從燃燒室10的排氣的通路的排氣通路12p， 與運轉條件(負荷以及內燃機轉速)相對應，適宜地切換火花點火燃燒和 預混合壓縮著火燃燒而進行運轉。這樣，通過與運轉條件相對應而切換預 混合壓縮著火燃燒和火花點火燃燒，能夠借助預混合壓縮著火燃燒實現(xiàn)低 油耗，借助火花點火燃燒實現(xiàn)良好的啟動性/高輸出。此外，預混合壓縮著火內燃機l具有(后述關于這些的詳細情況) 增壓器llt、節(jié)氣閥3、燃料閥2v (燃料供給量調整機構)、加熱用吸氣 通路20p、切換閥llv、 EGR通路30p、 EGR閥30v、熱交換器40、吸氣閥 51v、排氣閥52v、火花塞53c。進而，預混合壓縮著火內燃機1具有 ECU (Electronic Control Unit,相當于控制機構)5。與排氣閥52v、火 花塞53c、吸氣閥51v、 EGR閥30v、切換閥llv、節(jié)氣閥3、燃料閥2v、 旁通控制閥40v、增壓器lit相對應的控制用線纜5a~ 5i與ECU5電氣連 接。并且，ECU5構成為控制排氣閥52v、火花塞53c、吸氣閥51v、 EGR 閥30v、切換閥llv、節(jié)氣閥3、燃料閥2v、旁通控制閥40v、增壓器lit的動作。(關于吸排氣裝置)本實施方式的預混合壓縮著火內燃機1的吸排氣裝置60,被用于向 燃燒室10的吸氣的供給和來自燃燒室10的排氣的掃氣等，具有吸氣通路 llp、排氣通路12p、加熱用吸氣通^各20p、切換閥llv、 EGR通路30p、 EGR閥30v、熱交換器40、 ECU5。并且，吸排氣裝置60,除了進行上述的 吸氣供給等之外，還進行外部EGR和混合氣的混合及吸氣加熱等。 (混合器)預混合壓縮著火內燃機1在吸氣通路llp的中途具有混合器4，通過 連通到混合器4的燃料供給路2p向該混合器4供給氣體燃料(即，燃料 供給路2p成為氣體燃料的通路而連通到吸氣通路llp)。并且，空氣和燃 料在混合器4中被混合。 (燃料閥)燃料閥2v被設置在燃料供給路2p的中途。并且，ECU5控制燃料閥 2v而由此調整燃料閥2v的開度，由此，調整向吸氣通路llp供給的氣體 燃料的供給量。 (節(jié)氣閥)如圖1所示，節(jié)氣閥3具有軸3c、驅動閥部3v的步進馬達(未圖示)， 閥部3v能夠以軸3c為中心旋轉。并且，利用ECU5控制節(jié)氣閥3的步進 馬達，利用閥部3v調整通路的開度，由此，調整通過吸氣通路llp而向 燃燒室IO供給的吸氣量。 (增壓器)增壓器lit是增壓可變的電動渦輪型增壓器，作為被電動馬達M驅動 的離心式壓縮機而構成。增壓器111被設置在吸氣通路11 p的中途。此外， 比增壓器lit更靠上游側以及增壓器llt的出口部分別與旁通路徑40a和 主路徑40b連接，經(jīng)由這些路徑而與p及氣通路llp連通。在旁通路徑40a 的中途上，設置用于開閉旁通路徑40a的旁通控制閥40v。在不使用增壓器llt時，控制使電動馬達M停止，同時，控制使旁通 控制閥40v開放。由此，旁通路徑40a起到通常的吸氣通路的作用。另一 方面，使用增壓器lit進行增壓時，控制電動馬達M使其驅動旋轉，同時 控制使旁通控制閥40v切斷。由此，主路徑40b起到增壓用通路的作用。 (燃燒室)8燃燒室IO是在內燃機中由氣缸和活塞形成的內部空間，活塞50沿著 圖的上下方向往復運動?；旌蠚馔ㄟ^吸氣通路lip被供給到燃燒室10。 并且，在燃燒之后，排氣通過排氣通路12p被排出。在吸氣通路llp的向 燃燒室10的開口部、以及排氣通路12p的向燃燒室IO的開口部處，分別 配置吸氣閥51v以及排氣閥52v,與吸氣、壓縮、燃燒/膨脹、排氣的各 行程中的活塞50的上升/下降相對應而適宜地開閉控制這些閥，由此進行 吸氣以及排氣。更詳細而言，吸氣閥51v、排氣閥52v分別被在未圖示的 凸輪軸的外周處形成的凸輪51c、 52c驅動開閉，利用在凸輪軸上設置的 <^知的配氣正時可變4幾構來變更開閉時才凡(與曲軸轉角相對應的相位)。 此外，火花塞53c用于火花點火燃燒時的點火，其動作由ECU5控制。 (EGR通路)來自燃燒室10的排氣，通過排氣通路12p，從未圖示的排氣口向外 部排出，但是，排出到排氣通路12p的排氣的一部分被再次供給向燃燒室 10。 EGR通路30p是用于令來自燃燒室10的排氣的一部分作為EGR氣體 而向燃燒室10回流的部件，形成為在分支位置12b處從排氣通路12p分 支，并且，其下游端30b連通到吸氣通路llp。由此，排氣通路12p以及 吸氣通路11 p的內部空間與EGR通路3Op的內部空間在EGR通路3Op的上 游端(分支位置12b)和下游端30b處連通。在EGR通路30p的中途上，用于調整EGR通路30p的開閉狀態(tài)的EGR 閥30v、和進行EGR氣體的冷卻的熱交換器40,從上游側(對于EGR氣體 的流動方向而言)以該順序i殳置。此外，如后所述，在EGR閥30v和熱交 換器40之間，配置連通部20b,加熱用吸氣通路20p的下游端連通到EGR 通路30p。(熱交換器)熱交換器40被設置在EGR通路30p的中途，起到EGR氣體的冷卻裝 置的作用。此外，熱交換器40，在切換切換閥llv以使吸氣(混合氣)通 過加熱用吸氣通路20p時，還起到吸氣加熱裝置的作用。此外，熱交換器40的熱交換介質是發(fā)動機的循環(huán)冷卻水，熱交換器 40，由于該循環(huán)冷卻水通過內部，因而起到熱交換器的作用(參照圖1的 箭頭A、 A，)。在發(fā)動機工作時，冷卻氣缸模塊而變?yōu)楦邷氐难h(huán)冷卻水， 從發(fā)動機向外部的散熱器循環(huán)，由于被散熱器冷卻，因而該冷卻水溫度被 維持在70至80度左右。(加熱用吸氣通路)加熱用吸氣通路20p是在進行吸氣加熱時成為吸氣的通路一部分的 部件，在吸氣通路llp中，從形成在比EGR通路30p的下游端30b (對于 吸氣的流動方向而言)更靠上游側處的分支部llb分支。此外，加熱用吸 氣通路20p以其下游端在連通部20b處與EGR通路30p中的熱交換器40 的上游側(對于EGR氣體的流動方向而言的上游側)連通的方式形成。 (切換閥)切換閥11是用于調整分別通過比分支部lib更靠下游側(對于吸氣 的流動方向而言)的吸氣通路lip以及加熱用吸氣通路20p的吸氣(混合 氣)的量的部件。從上游送到分支部lib的混合氣，利用切換閥llv的調 整，在通過分支部llb后，在比分支部lib更靠下游側，決定以什么樣的 比例在吸氣通路lip和加熱用吸氣通路20p這兩個流通通路中流通。具體 而言，切換為以下某個模式的任意一個(a)在比分支部lib更靠下游側， 全部的混合氣原封不動地通過吸氣通路lip而向燃燒室10流入的路徑(吸 氣通路100% )、 (b)在比分支部llb更靠下游側，全部的混合氣通過加 熱用吸氣通路20p,并通過EGR通路30p的局部，再次通過吸氣通路llp 而向燃燒室10流入的路徑(加熱用吸氣通路100% ),進而，(c)這些 的中間狀態(tài)的路徑(在比分支部lib更靠下游側， 一部分的混合氣通過吸 氣通路lip,而一部分的混合氣通過加熱用p及氣通路20p的路徑)。切換閥llv具體而言，在內部具有吸氣通路llp用閥(未圖示)和加 熱用吸氣通路20p用閥(未圖示)，通過分別地開閉控制這些閥而調整分 別在比分支部11 b更靠下游側的吸氣通路11 p以及加熱用吸氣通路2 Op中 流通的吸氣量。在本實施方式中切換閥以這種方式構成，但是，不限定于 這才羊的方式。ECU5如下地控制切換閥11。首先，在關閉EGR閥30v時，切換切換 閥llv，以4吏向燃燒室10流入的混合氣在分支部lib的(對于吸氣流方 向而言)下游側通過吸氣通路lip以及加熱用吸氣通路20p中的至少某一 個。另一方面，在打開EGR閥30v時，切換切換閥llv，以使向燃燒室流 入的混合氣在分支部lib的下游側僅通過吸氣通路lip (混合氣不通過加 熱用吸氣通路20p,全部的混合氣通過吸氣通路llp)。 (關于排氣以及外部EGR)接著，對排氣以及外部EGR進行說明。在預混合壓縮著火燃燒時，在高負荷側的運轉區(qū)域中，容易出現(xiàn)異常燃燒狀態(tài)。在此，在預混合壓縮著火內燃才幾l中，在上述高負荷側的運轉區(qū)域中打開EGR閥30v，由此利用 設置在EGR通路30p的中途的熱交換器40冷卻EGR氣體，并且將EGR氣 體與混合氣一起供給到燃燒室10內。由此，燃燒室10的燃燒狀態(tài)被減慢。 (關于內部EGR)接著，對于內部EGR進行說明。預混合壓縮著火內燃機l,對于預混 合壓縮著火燃燒運轉時的配氣正時具有負的氣門重疊角，利用內部EGR而 進行預混合壓縮著火燃燒。在此，負的氣門重疊角是在排氣上止點附近將 排氣閥52v以及吸氣閥51v雙方都關閉的期間，排氣閥52v在到達排氣上 止點之前關閉。由此，可以令已燃燒氣體(內部EGR氣體)的一部分殘留 在燃燒室10內，并遺留到下次燃燒。通過設置負的氣門重疊角而利用內 部EGR，高溫的內部EGR氣體與新供給到燃燒室10內的混合氣混合，令 缸內溫度上升，所以提升預混合壓縮著火燃燒時的著火性。而且，通過控 制負的氣門重疊角的大小，能夠一定程度地控制著火時機。 (關于增壓以及外部EGR)接著，對于增壓以及外部EGR進行說明。在高負荷運轉時，由于增加 含有氣體燃料的混合氣的供給量，而過度地提升著火性，容易發(fā)生由過度 燃燒狀態(tài)引起的爆震。為了抑制爆震的發(fā)生，以降低著火性為目的而需要 減少燃燒室10內的內部EGR量。因此，進行使負的氣門重疊角變小的控 制。但是，內部EGR的減少，由于同時引起著火時機的延遲和燃燒速度的 降低，所以不能以該狀態(tài)著將火時機和燃燒速度控制為適當?shù)钠胶?。在此?首先，通過增壓令吸氣溫度上升而控制著火時機，并且將其維持為適當?shù)?時機。進而，在發(fā)動機的運轉區(qū)域在高負荷側時，為了抑制異常燃燒而進 行外部EGR,使燃燒速度變得緩慢。 (動作)接著，對如上所述地構成的預混合壓縮著火內燃才幾1的動作進行說 明。首先，在進行火花點火燃燒的運轉區(qū)域中，ECU5控制火花塞53c等， 進行火花點火燃燒。另一方面，在進行預混合壓縮著火的運轉區(qū)域中，ECU5進行如下的 控制。首先，在混合器4中生成的混合氣一邊利用節(jié)氣閥3調整吸氣量一 邊通過吸氣通路llp，到達配置切換閥llv的分支部lib的位置。而且，在關閉EGR閥30v時，切換切4灸閥llv以4吏向燃燒室10流入的混合氣在分支部lib的下游側通過吸氣通路lip以及加熱用吸氣通路 20p中的至少某一個。在此，在混合氣通過加熱用吸氣通路20p時，因為 混合氣通過熱交換器40，所以在熱交換器40中進行混合氣的加熱。因此， 外部氣溫左右的混合氣，通過加熱用吸氣通路，以預先升溫數(shù)度 數(shù)十度 的狀態(tài)被供給向燃燒室10。在外部氣溫低時等情況下，由于燃燒室內溫 度低、^M食獲得高溫的內部EGR,所以難以引起預混合壓縮著火，若進行 預混合壓縮著火燃燒則可能發(fā)生發(fā)動機不發(fā)火。但是，通過這樣地令預先 加熱的吸氣(混合氣)向燃燒室10流入，可抑制發(fā)動機不發(fā)火的發(fā)生， 并可擴大能夠進行預混合壓縮著火燃燒的運轉區(qū)域。EGR閥30v關閉時相當于處于無需使用外部EGR的運轉區(qū)域的時候。 如圖3所示，在由發(fā)動機負荷以及發(fā)動機轉速確定的運轉區(qū)域中，預混合 壓縮著火燃燒區(qū)域(適于預混合壓縮著火燃燒的運轉區(qū)域)應當為圖的中 央部分。該預混合壓縮著火燃燒區(qū)域(a、 b、 c、 d區(qū)域)中，a、 b、 c區(qū) 域是不使用外部EGR的運轉區(qū)域。另一方面，在打開EGR閥30v時，切換切換閥llv以使向燃燒室流入 的混合氣在分支部lib的下游側^又通過吸氣通路llp。即，在打開EGR閥 30v時，控制切換閥llv，以使混合氣不通過加熱用p及氣通路20p。而且，由于EGR閥30v打開，來自燃燒室的排氣的一部分在EGR通路 30p內流通，并#^熱交換器40冷卻，從與吸氣通路llp連通的下游端30b 向吸氣通路llp流入，并向燃燒室10回流(即，混合氣和外部EGR氣體 都向燃燒室IO送出)。這樣，在EGR閥30為開閥狀態(tài)時，熱交換器"作 為外部EGR的冷卻裝置起作用。在高負荷運轉區(qū)域中，發(fā)生所謂爆震、過早著火的異常燃燒，通過這 樣地利用外部EGR,可抑制異常燃燒的發(fā)生。更具體而言，外部EGR氣體 是高溫(例如在熱交換器之前為約300度)，在設置在EGR通路30p中途 的熱交換器(EGR冷卻器)40中被冷卻。而且，被冷卻的EGR氣體回流到 燃燒室10內，非活性氣體增加，由此燃燒室10的燃燒狀態(tài)被減慢，抑制 燃燒室10內的異常燃燒的發(fā)生。此外，EGR閥30v打開時相當于處于需要使用外部EGR的運轉區(qū)域的 時候。在如圖3所示的由發(fā)動機負荷以及發(fā)動機轉速確定的運轉區(qū)域中， 預混合壓縮著火燃燒區(qū)域(a d區(qū)域)中，d區(qū)域是指使用外部EGR的運 轉區(qū)域。具體而言，在高負荷運轉區(qū)域中，伴隨著混合氣的增壓而利用外部EGR。由此，通過利用增壓使吸氣溫度上升并利用外部EGR使局部的溫 度降低，由此令著火性的確保和燃燒狀態(tài)的減慢都成為可能，結果，在高 負荷側的區(qū)域中，可擴大能進行預混合壓縮著火燃燒的區(qū)域。 (預混合壓縮著火內燃機及吸排氣裝置的控制例)接著，參照圖2說明預混合壓縮著火內燃機1及吸排氣裝置60的控 制例。圖2是表示預混合壓縮著火內燃才幾1的EGR閥30v以及切換閥llv 的開閉以及切換控制的圖表。圖2的橫軸表示發(fā)動機負荷的大小。圖2的 上側的圖表表示EGR閥的開度。在該圖表中，最下端(參照圖2的(i)) 是EGR閥30v的閉閥狀態(tài)，由此越向上方EGR閥30v的開度越大(參照圖 2的(ii ))。此外，圖2的下側的圖表表示切換閥llv的切換狀態(tài)。在該 圖表中，最上端的位置(參照圖2的(1 ))表示在分支部lib的下游側混 合氣全部通過加熱用吸氣通路20p的狀態(tài)，最下端的位置(參照圖2的(3)) 表示在分支部lib的下游側，混合氣全部通過吸氣通路lip的狀態(tài)。此外， 該中間位置(參照圖2的(2))表示這些的中間狀態(tài)，即，表示在比分支 部llb更靠下游側， 一部分混合氣通過吸氣通路llp,且一部分的混合氣 通過加熱用吸氣通路20p的狀態(tài)。此外，如圖2所示，在預混合壓縮著火內燃機l中，與發(fā)動機負荷相 對應，分為NA (自然吸氣)區(qū)域、增壓區(qū)域、以及增壓/外部EGR區(qū)域等 的運轉區(qū)域，進行與各負荷區(qū)域相應的運轉控制。另外，對于圖2的橫軸 的范圍，作為全范圍的局部而表示，存在有比圖中所示的范圍更低負荷的 區(qū)域以及更高負荷的區(qū)域。如圖2所示，在NA區(qū)域以及增壓區(qū)域中，令EGR閥30v為閉閥狀態(tài)， 將加熱用吸氣通路20p以及吸氣通路llp用作吸氣路。即，外部EGR不凈皮 利用，熱交換器40僅;故用于吸氣加熱。另一方面，在增壓/外部EGR區(qū)域中，EGR閥30v成為開閥狀態(tài)，完 全不利用加熱用吸氣通路。即，利用外部EGR，熱交換器40作為EGR冷 卻器但j皮用于外部EGR氣體的冷卻。另外，圖2的控制表示了一個例子，EGR閥30v以及切換閥llv的控 制不限定于此。 (效果)以下，與柴油發(fā)動機進行比較，同時說明本發(fā)明所起到的效果。在柴 油發(fā)動沖幾中，在發(fā)動才幾啟動時等低負荷運轉時，為了抑制未燃燃料成分和白煙等的產(chǎn)生而進行吸氣加熱。此外，通過利用外部EGR,將作為非活性 氣體的排氣供給到燃燒室，降低最高燃燒溫度，令氮氧化物的產(chǎn)生量減少。 若對此進行補充說明，則在柴油發(fā)動機中，由于燃料直接噴射到燃燒室內， 在燃燒室內發(fā)生燃料有濃有淡的情況不可避免，由此產(chǎn)生局部的高溫部， 成為氮氧化物大量地產(chǎn)生的原因。即，在柴油發(fā)動機中，外部EGR用于抑 制氮氧化物，特別是在排氣對策被重視的近年，在低負荷運轉區(qū)域中，擴 大了與吸氣加熱并用的運轉區(qū)域。另一方面，在預混合壓縮著火燃燒中，在外部氣溫低時等的低負荷運 轉時以及中負荷運轉時，通過加熱吸氣(混合氣)而提升著火性，并抑制 發(fā)動機不發(fā)火的發(fā)生。此外，在預混和壓縮著火燃燒中，因為可抑制爆震 所以高負荷運轉時的外部EGR的利用是有效的。但是，在外部氣溫低時等 的低負荷運轉時以及中負荷運轉時，因為令著火性降低所以不希望利用外 部EGR。即，在預混合燃燒著火中，因為吸氣加熱令著火性提高、外部EGR 抑制著火性，各自被使用的運轉區(qū)域不同，所以不并用外部EGR和吸氣加 熱。若進行補充說明，則在預混合壓縮著火燃燒中，令燃料和空氣大致均 一地混合而成的混合氣在燃燒室內自燃，所以和燃料不均勻的柴油發(fā)動 機、和在火焰面處產(chǎn)生局部的高溫的火花點火燃燒(例如汽油發(fā)動機)相 比，不易產(chǎn)生局部的高溫部，最高燃燒溫度也很低。因此，氮氧化物的產(chǎn) 生量少，不需要為了抑制氮氧化物的產(chǎn)生而運用外部EGR。如上述所述，在預混合壓縮著火內燃機1中，不同時使用外部EGR 和吸氣加熱，因此熱交換器40與(由發(fā)動機負荷及發(fā)動機轉速確定)運 轉區(qū)域相對應，僅進行EGR氣體的冷卻以及吸氣加熱的某一項。因此，通 過如上所述地構成預混合壓縮著火內燃機l,作為EGR冷卻器使用的熱交 換器40能夠以原有的構成用于吸氣加熱，所以熱交換器不會比一個只有 1個熱交換部的一般的熱交換器更大型化。因此，可通過簡單的構成來進 行EGR氣體的冷卻以及吸氣加熱。此外，利用具有EGR冷卻器的已存的 EGR通路，可通過簡單的配管構造的變更和追加來實現(xiàn)如上述那樣的構成。 進而，不需要包括形成吸氣通路以及EGR通路的配管和冷卻水用的配管而 在一個熱交換器上連接多個配管，因而在內燃機周邊的配置方面的設計上 的制約被緩解，因而可更加節(jié)省空間，并可進行EGR氣體的冷卻以及吸氣 力口熱。此外，因為EGR閥30v在EGR通路30p中被設置在比加熱用吸氣通路 20p的下游端(連通部20b)還靠上游側，所以不令^皮加熱的吸氣(混合 氣)在EGR通路30p中向比連通部20b更靠上游側流入，可令其經(jīng)由比 EGR通路30p的連通部20b更靠下游側以及吸氣通路lip而向燃燒室10 回流，并且，在EGR閥關閉時，可防止EGR氣體向加熱用p及氣通路20p流 入。此外，因為切換閥llv被設置在分支部llb處，所以可將要利用熱交 換器40加熱的吸氣(混合氣)主動地向加熱用吸氣通路20p送入。另一 方面，不通過熱交換器40的吸氣(混合氣)不進入加熱用吸氣通路，全 部通過吸氣通路。因此，高效率地進行吸氣的流通。此外，熱交換器40,因為發(fā)動機的循環(huán)冷卻水在內部通過，所以可 利用發(fā)動機的熱量，可利用更簡單的構成進行EGR氣體的冷卻以及吸氣加 熱。此外，本發(fā)明的預混合壓縮著火內燃機的吸排氣裝置60,如上述那 樣地構成，因而可利用簡單的構成進行EGR氣體的冷卻以及吸氣加熱。此 外，利用具有EGR冷卻器的已存的EGR通路，通過簡單的配管構造的變更 和追加可實現(xiàn)如上述那樣的構成。 (關于可運轉范圍的擴大)此外，運用預混合壓縮著火內燃機1以及吸排氣裝置60,能夠將可 運轉范圍向低負荷側擴大。利用圖3對此進行說明。圖3是表示運用預混 合壓縮著火內燃機l時的運轉區(qū)域的概要圖，橫軸表示發(fā)動機轉速，縱軸 表示發(fā)動機負荷。在圖3中，作為HCCI所示的中央部分是進行預混合壓縮著火燃燒的 區(qū)域，除此之外的周邊部分為SI (火花點火燃燒)區(qū)域。這樣地與發(fā)動 機負荷和發(fā)動機轉速相對應，適宜地切換預混合壓縮著火燃燒和火花點火 燃燒而運轉。而且，在考慮到不進行吸氣加熱的內燃機時，通過自然吸氣可進行運 轉的區(qū)域僅為圖3的b區(qū)域。即，在不進行吸氣加熱時，圖的a區(qū)域是利 用火花點火燃燒進行運轉的區(qū)域。但是，在如預混合壓縮著火內燃機l那 樣地進行吸氣加熱時，除了 b區(qū)域，a區(qū)域也可進行預混合壓縮著火燃燒 的運轉。以下，更具體地進行說明。首先，關于作為低負荷區(qū)域的a區(qū)域中的預混合壓縮著火燃燒，由于被供給的燃料的量很少而容易發(fā)生發(fā)動機不發(fā)火。但是，通過在a區(qū)域中進行吸氣加熱，即，關閉EGR閥30v,對切換 閥llv進行切換以使吸氣(混合氣)通過加熱用吸氣通路20p,可提升著 火性，可抑制發(fā)動機不發(fā)火的發(fā)生，因而可進行預混合壓縮著火燃燒。由 此，能夠將可運轉區(qū)域向低負荷側擴大。在預混合壓縮著火內燃機l中，通過進行以上的控制，能夠將可運轉 范圍向低負荷側(a區(qū)域)擴大。此外，通過適宜地調整切換閥llv，與 外部氣溫相對應而控制向吸氣通路1 lp以及加熱用吸氣通路20p各自的吸 氣的分配量，可調整向燃燒室10流入的吸氣溫度。因此，無論外部氣溫 的高低，可通過吸氣的分配調整來將可運轉范圍向低負荷側擴大。另外， 圖的c區(qū)域為可在增壓下運轉，圖的d區(qū)域可利用增壓以及外部EGR運轉。 (變形例)接著，對于上述的實施方式中的預混合壓縮著火內燃機的變形例，參 照圖4、 5重點說明和上述的實施方式不同的部分。圖4表示第1變形例 的預混合壓縮著火內燃機的整體概要圖，圖5表示第2變形例的預混合壓 縮著火內燃機的整體概要圖。另外，對于和上述的實施方式相同的部分， 標注相同的符號而省略其iJt明。 (第1變形例)首先，說明第1變形例。在本變形例的預混合壓縮著火內燃機100 及吸排氣裝置160中，如圖4所示，切換閥lllv以及EGR閥130v^f皮設置 在加熱用吸氣通路20p和EGR通路130p的連通部20b處。具體而言，作 為開閉閥的切換閥lllv被設置在加熱用吸氣通路20p和EGR通路1 30p的 連接部上，作為開閉閥的EGR閥130v凈皮設置在EGR通路中的連通部20b 的上游側。在此，連接切換閥lllv以及EGR閥130v和ECU105的控制用 線纜105d (105e)相當于將在上述的實施方式中的控制線纜5d、 5e纏為 一根而成的線纜。根據(jù)本變形例，將切換閥以及EGR閥作為閥100而配置 在 一個位置即可，可簡單地構成預混合壓縮著火內燃機以及吸排氣裝置。 (第2變形例)首先，說明第2變形例。在本變形例的預混合壓縮著火內燃機200 以及吸排氣裝置260中，如圖5所示，EGR閥230v位于加熱用吸氣通路 20p和EGR通路230p的連通部20b (加熱用吸氣通路的下游端)附近，在 EGR通路230p中，祐二沒置在對于EGR的流向方向而言的上游側。形成為這樣的構成也可得到和上述的實施方式同樣的效果。以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但是本發(fā)明不限定于上述的實施方 式，在權利要求的范圍內可進行各種變更并實施。例如，在上述的實施方式中，燃料供給路2p，配置為向吸氣通路llp 的分支部lib的上游側連通，但不限定在這樣的位置。例如，也可向吸氣 通路lip的與EGR通路30p的連接部(下游端30b)的下游側連通(參照 圖1的箭頭C位置)。通過將燃料供給路2p配置在上述的實施方式的位置， 或者配置在箭頭C的位置，利用切換閥llv選擇吸氣通路Up以及加熱用 吸氣通路20p的某一方，均可在吸入空氣的路徑的中途供給燃料。另一方 面，向吸氣通路llp的分支部llb和連結部(下游端30b)的中間位置(參 照圖1的箭頭B位置)配置燃料供給路時，在選擇加熱用吸氣通路20p時， 由于使燃料供給路的連通位置不在吸入空氣的路徑的中途，所以供給不完 全而不優(yōu)選。此外，在上述的實施方式中，節(jié)氣閥3在吸氣通路llp中被配置在分 支部lib的上游側，但是不限定為這樣的配置，也可被設置在與EGR通路 30p的連結部(下游端30b)的下游側(參照圖的箭頭C位置)。通過將節(jié) 氣閥3配置在上述的實施方式的位置，或者箭頭C的位置，利用切換閥 11 v選擇吸氣通路11 p以及加熱用吸氣通路2 Op的任意一方，均可向前方 送出并自后方吸引吸氣。另一方面，向吸氣通路lip的分支部llb和連結 部(下游端30b)的中間位置(參照圖1的箭頭B位置)配置節(jié)氣閥時， 由于在選擇加熱用吸氣通路20p時吸氣量的調整變得困難所以不優(yōu)選。此外，在上述的實施方式中，為了將預混合壓縮著火燃燒的可運轉區(qū) 域主要是向與低負荷側擴大而利用內部EGR,為了令該區(qū)域向高負荷側擴 大而利用增壓器llt,但是這些構成不是必須的。在不使用內部EGR或增 壓器時，預混合壓縮著火燃燒的可運轉區(qū)域會變得狹小，但可使用本發(fā)明， 并利用吸氣加熱以及外部EGR。此外，作為擴大預混合壓縮著火燃燒的可 運轉區(qū)域的方法，提出有替代內部EGR而提升燃燒室內的壓縮比的方案， 在這樣的預混合壓縮著火內燃機中，也可使用本發(fā)明。此外，在上述的實施方式中，以使用氣體燃料的內燃機作為前提，但 不做特別的限定，也可使用于汽油發(fā)動機等其他形式的內燃機。另外，例 如在汽油發(fā)動機的情況下，作為燃料供給機構，替代上述的實施方式的混 合器，使用化油器或者噴射器等，適宜地變更燃料供給機構即可。此外，在上述的實施方式中，作為熱交換器40的熱交換介質使用發(fā) 動機的循環(huán)冷卻水，但是熱交換介質不特別限定于此。例如，上述的實施 方式所述的燃氣發(fā)動機在被用于燃氣熱力泵時，也可使用存在于裝置內的 暖房用溫水配管。只要是比較低的外部氣溫高溫，比EGR氣體(排氣)低 溫的熱交換介質即可，可沒有特別的限定地使用。此外，在上述的實施方式中，為了擴大預混合壓縮著火燃燒的可運轉 區(qū)域而使用增壓器llt，但這不是必須的。在將預混合壓縮著火燃燒的可 運轉區(qū)域向高負荷側擴大的必要性低時，也可省略由增壓器以及外部EGR 進行的控制。運轉區(qū)域向高負荷側擴大的必要性低的情況是指如例如一 部分的定置型發(fā)動機那樣地、用于常用的運轉區(qū)域被狹小地限定在低中負 荷區(qū)域的用途的情況。此外，雖然不如使用增壓器時，但在由內部EGR控 制的高負荷側即內部EGR減少并吸入的混合氣量增加的狀態(tài)下，若同時使 用外部EGR,則如圖6e所示那樣，不使用增壓器即可擴大預混合壓縮著 火燃燒的可運轉區(qū)域。在圖6中，a、 b、 e是控制內部EGR的量的區(qū)域， a是在低外部氣溫/低負荷時進行吸氣加熱而抑制發(fā)動機不發(fā)火的區(qū)域，e 是在高負荷時通過并用外部EGR抑制爆震并擴大運轉區(qū)域的區(qū)域。
權利要求
1.一種預混合壓縮著火內燃機，具有燃燒室；吸氣通路，作為向該燃燒室的吸氣的通路；排氣通路，作為來自該燃燒室的排氣的通路，其特征在于，具有EGR通路，與上述排氣通路以及上述吸氣通路連通，用于令來自上述燃燒室的排氣的一部分作為EGR氣體而向上述燃燒室回流；熱交換器，被設置在該EGR通路的中途，進行EGR氣體的冷卻；EGR閥，被設置在上述EGR通路的中途，用于調整上述EGR通路的開閉狀態(tài)；加熱用吸氣通路，在上述吸氣通路中從形成在比上述EGR通路的下游端更靠上游側處的分支部分支，并且下游端與上述EGR通路的上述熱交換器的上游側連通；切換閥，用于調整分別通過比上述分支部更靠下游側的上述吸氣通路以及上述加熱用吸氣通路的吸氣的量；控制機構，如下地進行控制在上述EGR閥關閉時，切換上述切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述分支部的下游側通過上述吸氣通路以及上述加熱用吸氣通路的至少某一個，在上述EGR閥打開時，切換上述切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述分支部的下游側僅通過上述吸氣通路。
2. 如權利要求項1所述的預混合壓縮著火內燃機，其特征在于， 上述EGR閥在上述EGR通路中凈皮i殳置在比上述加熱用吸氣通路的下游 端更靠上游側處。
3. 如權利要求項1或者2所述的預混合壓縮著火內燃機，其特征 在于，上述切換閥被設置在上述分支部。
4. 如權利要求項1或者2所述的預混合壓縮著火內燃機，其特征 在于，上述切換閥以及上述EGR閥;故設置在上述加熱用吸氣通路和上 述EGR通路的連通部。
5. 如權利要求項1或者2所述的預混合壓縮著火內燃機，其特征 在于，上述熱交換器是在內部通過有發(fā)動機的循環(huán)冷卻水的熱交換器。
6. —種預混合壓縮著火內燃機的吸排氣裝置，用于具有燃燒室、 作為從該燃燒室排氣的通路的排氣通路的預混合壓縮著火內燃機，該吸排氣裝置的特征在于，具有 吸氣通路，通向上述燃燒室；EGR通路，向上述排氣通路以及上述吸氣通路連通，用于令來自 上述燃燒室的排氣作為EGR氣體而向上述燃燒室回流；熱交換器，被設置在該EGR通路的中途、進行EGR氣體的冷卻； EGR閥，被設置在上述EGR通路的中途，用于開閉上述EGR通路； 加熱用吸氣通路，在上述吸氣通路中從形成在比上述EGR通路的 下游端更靠上游側處的分支部分支，并且下游端與上述EGR通路的上 述熱交換器的上游側連通；切換閥，用于調整在比上述分支部更靠下游側分別通過上述吸氣 通路以及上述加熱用吸氣通路的吸氣的量；控制機構，如下地進行控制在上述EGR閥關閉時，切換上述切 換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述分支部的下游側通過上述吸 氣通路以及上述加熱用吸氣通路的至少某一個，在上述EGR閥打開時， 切換上述切換閥以使向上述燃燒室流入的吸氣在上述分支部的下游側 僅通過上述吸氣通路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種預混合壓縮著火內燃機及其吸排氣裝置，EGR通路令排氣的一部分作為EGR氣體而向燃燒室回流。熱交換器進行EGR氣體的冷卻。加熱用吸氣通路在吸氣通路中從形成在比EGR通路的下游端還靠上游側的分支部分支，并且下游端與EGR通路的熱交換器的上游側連通。切換閥調整通過吸氣通路以及加熱用吸氣通路的吸氣量。ECU如下地切換切換閥在EGR閥關閉時令吸氣通過吸氣通路以及加熱用吸氣通路的某一個，在EGR閥打開時令吸氣僅通過吸氣通路。
文檔編號F02B11/00GK101251039SQ20081008054
公開日2008年8月27日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權日2007年2月21日
發(fā)明者葛山裕史 申請人:株式會社豐田自動織機