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CN107489563B - 具有排气再循环装置的发动机系统以及控制该发动机系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有排气再循环装置的发动机系统以及控制该发动机系统的方法，该发动机系统包括：发动机；进气管线；排气管线；涡轮增压器，其包括涡轮和压缩机；EGR装置，其包括EGR管线和EGR冷却器；废气门阀，其安装在排气旁通管线中，该排气旁通管线从涡轮的前端分出并且并入到涡轮的后端，该废气门阀调节流入到涡轮中的排气的量；以及再循环阀，其安装在进气旁通管线中，该进气旁通管线在发动机的前端处从进气管线分出并且在压缩机的前端处并入到进气管线，该再循环阀将涡轮增压器压缩的进气气体中的一部分供应至压缩机前端处的进气管线中。

Description

具有排气再循环装置的发动机系统以及控制该发动机系统的 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年6月10日在韩国知识产权局所提出的韩国专利申请号10-2016-0072548优先权的权益，并通过引用将其全部内容纳入本文。
技术领域
本发明涉及一种具有排气再循环装置的发动机系统和一种控制具有排气再循环装置的发动机系统的方法，更具体地，涉及一种能够增加排气再循环比例的具有排气再循环装置的发动机系统及其控制方法。
背景技术
汽车发动机通过以合适的比例混合从外部引入的燃料和空气并燃烧该混合物从而产生动力。
为了获得所需输出和燃烧效率，需要在通过操作发动机以产生动力的过程中提供足量的外部空气用于燃烧。为此目的，使用涡轮增压器作为这样一种装置：其对发动机增压用于燃烧的空气，从而改进发动机的燃烧效率。
通常，涡轮增压器是这样一种装置：其通过利用排放自发动机的排气的压力使涡轮旋转，随后通过使用涡轮的旋转力将高压空气供应至燃烧室中以增加发动机的输出。涡轮增压器适用于大多数柴油发动机，近来，涡轮增压器也适用于汽油发动机。
此外，在排气中包含的氮氧化物(NOx)被认为是空气污染物，并且正在进行减少NOx排放的研究。
排气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)系统是为了减少各种废气微粒而安装在车辆中的系统。通常，在气态混合物中空气比例较大并因此平稳地进行燃烧的情况下，NOx增加。因此，排气再循环系统是将排放自发动机排气的一部分(例如，5％至20％)和气态混合物再次混合，从而减少气态混合物中的氧气量并阻碍燃烧，由此抑制NOx产生的系统。
用于汽油发动机的排气再循环(EGR)系统安装在车辆中以改进燃料经济性。通过这种排气再循环(EGR)系统，可以通过在低速/低负载区域中减少泵气损失并且在中速/中负载区域中减小燃烧室中的温度而使点火正时提前，从而改进燃料经济性。
在已知的排气再循环系统中，存在低压排气再循环(low pressure exhaust gasrecirculation，LP-EGR)装置。该LP-EGR装置对已经通过涡轮增压机的涡轮进入压缩机前端处的进气通道中的排气进行再循环。
在相关技术中的排气再循环系统的情况下，随着涡轮增压器工作，再循环气体通过涡轮和压缩机的旋转力而被供应至发动机的燃烧室中。
然而，当涡轮增压器不工作时，在压缩机的前端会产生负压，因此使用单独的差压生成阀(differential pressure generating valve)。然而，在安装如上所述的差压生成阀的情况下，会存在车辆制造成本增加的问题。
公开于该发明背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对发明背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在相关国家已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明旨在提供一种具有排气再循环装置的发动机系统及其控制方法，其能够增加EGR比例的同时而不使用单独的差压生成阀。
本发明的实施例性实施方案提供一种具有排气再循环装置的发动机系统，所述发动机系统包括：发动机，其包括通过燃烧燃料来产生驱动力的多个燃烧室；进气管线，待供应至燃烧室的进气气体流动进入该进气管线；排气管线，排放自燃烧室的排气流过该排气管线；涡轮增压器，其包括涡轮和压缩机，该涡轮设置在所述排气管线中并且利用排放自燃烧室的排气而旋转，该压缩机设置在进气管线中并且随着涡轮的旋转而旋转，以及该压缩机压缩外部空气；EGR装置，其包括EGR管线和EGR冷却器，该EGR管线在涡轮增压器的后端处从排气管线分出并且并入到进气管线，该EGR冷却器设置在EGR管线中，使得冷却流过EGR管线的排气；废气门阀，其安装在排气旁通管线中，该排气旁通管线从涡轮的前端分出并且并入到涡轮的后端，该废气门阀调节流入到涡轮中的排气的量；以及再循环阀，其安装在进气旁通管线中，该进气旁通管线在发动机的前端处从进气管线分出并且在压缩机的前端处并入到进气管线，该再循环阀将涡轮增压器压缩的进气气体中的一部分供应至压缩机前端处的进气管线中。
该发动机系统可以进一步包括控制器，其控制涡轮增压器、废气门阀、EGR阀和再循环阀的操作；其中该控制器基于操作涡轮增压器的操作区间来调节废气门阀、再循环阀和EGR阀的开度。
在涡轮增压器不操作的操作区间中，所述控制器可以并不完全地打开废气门阀，而是可以将废气门阀打开至涡轮增压器不产生增压的程度，使得废气门阀的开度等于或大于预定值；以及通过调节EGR阀和再循环阀的开度，所述控制器可以调节经由进气管线而供应到燃烧室中的进气气体的EGR比例。
在操作涡轮增压器的操作区间中，所述控制器可以基于所需的增压来控制废气门阀的开度，所述控制器可以控制再循环阀的关闭，以及可以通过调节EGR阀的开度来调节EGR比例。
本发明的另一示例性实施方案提供一种控制具有排气再循环装置的发动机系统的方法，该发动机系统包括发动机、EGR装置和涡轮增压器，所述方法包括：利用操作信息检测单元，检测发动机所需的扭矩和所需的速度；基于所需的扭矩和所需的速度，利用控制器，确定操作涡轮增压器的操作区间；基于操作涡轮增压器的操作区间，利用控制器，调节废气门阀的开度和再循环阀的开度，该废气门阀调节流入涡轮增压器的涡轮中的排气的量，该再循环阀安装在进气旁通管线中，该进气旁通管线在发动机的前端处从进气管线分出并且在涡轮增压器的压缩机的前端处并入到进气管线。
在涡轮增压器不操作的操作区间，废气门阀可以并不完全地打开，但可以打开至涡轮增压器不产生增压的程度，使得废气门阀的开度等于或大于预定值，并且通过调节EGR阀和再循环阀的开度可以调节通过进气管线被供应至燃烧室中的进气气体的EGR比例。
在操作涡轮增压器的操作区间，基于所需的增压可以调节废气门阀的开度，关闭再循环阀，并可以通过调节EGR阀的开度来调节EGR比例。
根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统及其控制方法，在涡轮增压器不操作的操作区间，经由进气旁通管线和再循环阀，将一部分外部空气和再循环气体再循环到进气管线中，由此可以增加进气气体的EGR比例。
附图说明
附图旨在用作描述本发明的示例性实施方案的参考，并且这些附图不应理解为对本发明的技术构思进行限制。
图1为示出了根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统的结构示意图；
图2为示出了根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统的结构方框图；
图3至图5为示出了根据本发明的示例性实施方案的排气流的视图。
图6为示出了根据本发明的示例性实施方案的控制具有排气再循环装置的发动机系统的方法的流程图。
具体实施方式
下文将参考所附附图对本发明进行更为全面的描述，在这些附图中显示了本发明的示例性实施方案。本领域技术人员将意识到，可以对所描述的实施方案进行各种不同方式的修改，所有这些修改将不脱离本发明的精神或范围。
将省略与说明书无关的部分以清楚地说明本发明，且在整个说明书中相同的附图标记表示相同或相似的组成元件。
此外，为了理解和描述的方便，在附图中显示的每个组件的尺寸和厚度可以是任意显示的，但本发明不限于此。多个部分和区域的宽度可能放大用于清晰表示。
下文中将参考附图详细描述根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统。
图1为示出了根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统的结构示意图。图2为示出了根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统的结构方框图。
如图1和2所示，根据本发明的示例性实施方案的具有排气再循环装置的发动机系统(后文中称为“发动机系统”)可以包括：发动机20、涡轮增压器70、中冷却器16、低压排气再循环(LP-EGR)装置50、操作信息检测单元80和控制器90。
发动机20可以包括通过燃烧燃料来产生驱动力的多个燃烧室21。发动机20设置有进气管线10和排气管线30，其中，待供应至燃烧室21的进气气体流动通过该进气管线10，排放自燃烧室21的排气流动通过该排气管线30。
用于去除排放自燃烧室21的排气所包含的各类物质的排气净化装置60设置在排气管线30中。为了去除氮氧化物，排气净化装置60可以包括：稀缺Nox捕集器(lean NOxtrap，LNT)、内燃机氧化催化器和内燃机颗粒过滤器。
涡轮增压器70压缩流动通过进气管线10的进气气体(外部空气和再循环气体)，并将进气气体供应至燃烧室21。涡轮增压器70包括涡轮71和压缩机72，所述涡轮71设置在排气管线30中并且通过排放自燃烧室21的排气而旋转，所述压缩机72与旋转的涡轮71共同进行旋转并且压缩进气气体。
LP-EGR装置50可以包括低压EGR管线52、低压EGR冷却器56和低压EGR阀54。尽管在本发明的示例性实施方案中描述了作为实例的LP-EGR装置，但也可以应用其他类型的EGR装置(例如高压EGR装置)。
低压EGR管线52在涡轮增压器70的后端从排气管线30分支出来并且并入进气管线10。低压EGR冷却器56设置在低压EGR管线52中，其冷却流过低压EGR管线52的排气。低压EGR阀54位于低压EGR管线52与进气管线10合并在一起的位置处，其调节流入进气管线10的排气量。此处，经过低压EGR管线52被供应进入进气管线10的排气被称为再循环气体。
通过与冷却剂进行热交换，中冷却器16冷却流过进气管线10的进气气体。随着被涡轮增压器70压缩的进气气体的温度增加，该进气气体膨胀，供应进入燃烧室21中的进气气体的氧气密度减小。因此，将会难以输出发动机20所需扭矩。所以，通过中冷却器16设备来冷却进气气体而使得进气气体的密度增加，从而提高了发动机20的燃烧效率。
同时，形成有排气旁通管线32，其在涡轮71的前端从排气管线30分支出来并且在涡轮71的后端并入排气管线30，废气门阀34安装在排气旁通管线32中。废气门阀34基于控制器90的控制信号工作，基于废气门阀34的开度来调节供应进入涡轮71的排气量。
形成有进气旁通管线12，其在发动机20的前端处从进气管线10分支出来并且在压缩机72的前端处并入进气管线10，并且再循环阀14安装在进气旁通管线12中。再循环阀14基于控制器90的控制信号工作，基于再循环阀14的开度来调节经由压缩机72而被供应至燃烧室21的排气再循环(EGR)的比例。EGR比例意指再循环气体相对于外部空气的比例。
控制器90控制发动机20、涡轮增压器70、废气门阀34、EGR阀54和再循环阀14的操作。
控制器90可以配置成通过预设程序操作的一个或多个处理器，该预定程序配置成执行根据本发明的示例性实施方案的发动机控制方法的各个步骤。
基于通过操作信息检测单元80检测的驾驶员所需的扭矩和速度，控制器90确定操作涡轮增压器70的操作区间，控制器90基于涡轮增压器70的操作区间来调节再循环阀14的开度。
操作信息检测单元80测定驾驶员所需的扭矩和所需的速度，并将测得的所需扭矩和测得的所需速度传输至控制器90。驾驶员所需扭矩和所需速度可以由设置在车辆中的加速踏板传感器(APS)来检测。
基于由操作信息检测单元80所检测的所需扭矩和所需速度，控制器90确定操作涡轮增压器70的操作区间。例如，操作涡轮增压器70的操作区间可以是高速和高负载区间，不操作涡轮增压器70的区间可以是相对低速和低负载区间。
可替代地，操作涡轮增压器70的操作区间可以是EGR阀的前端和后端之间的差压等于或高于预定压力或预定量的区间。
在操作涡轮增压器70的操作区间中，控制器90关闭再循环阀14，并防止混合气体流入进气旁通管线12中。此外，基于所需的增压，控制器90控制废气门阀34(参见图3)并旋转涡轮71和压缩机72从而压缩流过进气管线10的进气气体(外部空气+再循环气体)，并将进气气体供应至燃烧室21。在此情况下，基于EGR阀54的开度来调节供应至燃烧室21的进气气体中所包含的再循环气体的比例(EGR比例)。
然而，在不操作涡轮增压器70的操作区间中，控制器90将废气门阀34的开度增加至预定开度或更高，并调节EGR阀54和再循环阀14的开度，由此调节经由进气管线10供应至燃烧室21的进气气体的EGR比例。
通常，在涡轮增压器70不操作的操作区间中，控制废气门阀34完全打开(参见图4)，使得排气通过排气旁通管线32排放至外部而不经过涡轮71。
然而，在涡轮增压器70不操作的操作区间中完全打开废气门阀34的情况下，设置在排气管线30中的涡轮71不旋转，因此设置在进气管线10中的压缩机72不旋转。
因此，控制器90并不完全地打开废气门阀34，但将废气门阀34打开至预定的开度或更高的程度，使得涡轮增压器70不产生增压(参见图5)。在此情况下，极小量的排气流入到排气管线30中。因此，涡轮71和压缩机72稍微旋转，因此流经进气管线10的进气气体的流速增加。
此外，通过打开再循环阀14，流过进气管线10的进气气体中的一部分经由进气旁通管线12被再循环至压缩机72的前端。此处，为了易于描述，通过进气管线12在压缩机72的前端被再循环至进气管线10的气体被称为混合气体。
当再循环阀14打开时，外部空气、再循环气体和混合气体流过进气管线10。在此情况下，因为混合气体含有外部空气和再循环气体，流过进气管线10的进气气体的EGR比例增加。
当进气歧管23中的进气气体的压力等于或高于预定压力时，再循环阀14会打开。当进气歧管23中的压力高于预定压力时，打开再循环阀14，并且进气歧管23中的进气气体的压力被适当地调节，由此防止发动机20的喘振。
下面将参考附图对本发明的示例性实施方案的发动机系统的操作进行详细描述。
图6为示出了根据本发明的示例性实施方案的控制具有排气再循环装置的发动机系统的方法的流程图。
如图6中所示，操作信息检测单元80检测发动机20的所需扭矩和所需速度，并将检测的所需扭矩和检测的所需速度传输至控制器90(S10)。
基于所需的扭矩和所需的速度，控制器90确定操作涡轮增压器的操作区间(S20)。
基于操作涡轮增压器70的操作区间，控制器90调节废气门阀34的开度和再循环阀14的开度。
特别地，在操作涡轮增压器70的操作区间中，基于所需的增压，控制器90增加废气门阀34的开度，以及控制器90关闭再循环阀14(S30)。
由于基于所需的增压来打开废气门阀34，涡轮71和压缩机72旋转使得流过进气管线10的进气气体被压缩机72压缩，并且经压缩的进气气体被供应至燃烧室21中。
在此情况下，基于EGR阀54的开度调节供应入燃烧室21的再循环气体的比例(EGR比例)。
然而，在涡轮增压器70不操作的操作区间，控制器90并不完全地打开废气门阀34，但打开废气门阀34，使得废气门阀34的开度等于或大于预定开度，并打开再循环阀14。在此情况下，基于进气歧管23中的压力可以调节再循环阀14的开度(S40)。
当再循环阀14打开时，进气气体(外部空气+再循环气体)中的一部分(混合气体)在压缩机72的前端处经由进气旁通管线12而被供应进入进气管线10，基于EGR阀54的开度将再循环气体供应进入进气管线10，并且外部空气也被供应进入进气管线10。
亦即，外部空气、再循环气体和混合气体流动通过进气管线10。在此情况下，混合气体中含有再循环气体，而流动通过进气管线10的进气气体中含有再循环气体和混合气体。因此，假设EGR阀54的开度不变，流动通过进气管线10的进气气体的EGR比例增加。
如上所述，在涡轮增压器70不操作的操作区间中，再循环阀14打开，混合气体被供应进入进气管线10中。因此，可以增加经由进气管线10供应进入燃烧室21的进气气体的EGR比例。
尽管本发明通过目前被认为实际的示例性实施方案进行了描述，应理解本发明不限于公开的实施方案，相反地，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求书的本质和范围内各种变体和等同布置。

Claims (2)

1.一种具有排气再循环装置的发动机系统，该发动机系统包括：
发动机，其包括通过燃烧燃料来产生驱动力的多个燃烧室；
进气管线，待供应至燃烧室的进气气体流动进入该进气管线；
排气管线，排放自燃烧室的排气流过该排气管线；
涡轮增压器，其包括涡轮和压缩机，该涡轮设置在所述排气管线中并且利用排放自燃烧室的排气而旋转，该压缩机设置在进气管线中并且随着涡轮的旋转而旋转，该压缩机压缩外部空气；
EGR装置，其包括EGR管线和EGR冷却器，该EGR管线在涡轮增压器的后端处从排气管线分出并且并入到进气管线，该EGR冷却器设置在EGR管线中，用于冷却流过EGR管线的排气；
废气门阀，其安装在排气旁通管线中，该排气旁通管线从涡轮的前端分出并且并入到涡轮的后端，该废气门阀调节流入到涡轮中的排气的量；以及
再循环阀，其安装在进气旁通管线中，该进气旁通管线在发动机的前端处从进气管线分出并且在压缩机的前端处并入到进气管线，并且将涡轮增压器压缩的进气气体中的一部分供应至压缩机前端处的进气管线中，
所述具有排气再循环装置的发动机系统进一步包括：
控制器，其控制涡轮增压器、废气门阀、EGR阀和再循环阀的操作；
其中，该控制器基于涡轮增压器操作的操作区间来调节废气门阀、再循环阀和EGR阀的开度，
其中：在涡轮增压器不操作的操作区间中，所述控制器并不是完全地打开废气门阀，而是将废气门阀打开至涡轮增压器不产生增压的程度，使得废气门阀的开度等于或大于预定值；以及
通过调节EGR阀和再循环阀的开度，所述控制器调节经由进气管线而供应到燃烧室中的进气气体的EGR比例，
其中：在操作涡轮增压器的操作区间中，所述控制器基于所需的增压来控制废气门阀的开度，所述控制器控制再循环阀关闭，以及通过调节EGR阀的开度来调节EGR比例。
2.一种控制具有排气再循环装置的发动机系统的方法，该发动机系统包括发动机、EGR装置和涡轮增压器，所述方法包括：
利用操作信息检测单元，检测发动机所需的扭矩和所需的速度；
基于所需的扭矩和所需的速度，利用控制器，确定操作涡轮增压器的操作区间；
基于操作涡轮增压器的操作区间，利用控制器，调节废气门阀的开度和再循环阀的开度，该废气门阀调节流入涡轮增压器的涡轮中的排气的量，该再循环阀安装在进气旁通管线中，该进气旁通管线在发动机的前端处从进气管线分出并且在涡轮增压器的压缩机的前端处并入到进气管线，
在涡轮增压器不操作的操作区间中：
将废气门阀打开至涡轮增压器不产生增压的程度，使得废气门阀的开度等于或大于预定值而并不是完全地打开废气门阀；并且通过调节EGR阀和再循环阀的开度来调节经由进气管线而供应到燃烧室中的进气气体的EGR比例，
在操作涡轮增压器的操作区间中，基于所需增压来调节废气门阀的开度；
关闭再循环阀；
通过调节EGR阀的开度来调节EGR比例。
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