CN104884772B - 带涡轮增压器的发动机 - Google Patents

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Abstract

发动机具备：包含涡轮(22)和压缩机(23)的涡轮增压器(20)；将与涡轮(22)相比位于上游侧的排气通道(30)和与压缩机(23)相比位于下游侧的进气通道(10)连通的EGR通道(45)；设置在EGR通道(45)的EGR阀(47)；旁通涡轮(22)的旁通通道(42)；以及设置在旁通通道(42)的废气旁通阀(43)。在该发动机中，当增压压力上升至极限压时，执行使EGR阀(47)打开且使废气旁通阀(43)关闭的第一增压压力控制。在该第一增压压力控制开始后发动机转速上升至规定值时，执行不仅使EGR阀(47)打开而且使废气旁通阀(43)打开的第二增压压力控制。

Description

带涡轮增压器的发动机
技术领域
本发明涉及一种具备涡轮增压器的带涡轮增压器的发动机，所述涡轮增压器包含利用通过排气通道的排气的能量被驱动的涡轮以及由涡轮驱动并对进气通道内的空气加压的压缩机。
背景技术
涡轮增压器利用从发动机排出的排气的能量实现发动机的高输出，从以往就广泛采用于各种发动机中。
采用上述涡轮增压器的发动机中，在发动机的转速上升到某种程度时增压压力达到极限压，之后需要实施增压压力控制以避免增压压力超过极限压。
例如，下述专利文献1所示的带涡轮增压器的发动机具备旁通涡轮增压器的涡轮的旁通通道和设置在旁通通道的废气旁通阀，当发动机的转速达到截止转速(interceptspeed,在全负荷条件下增压压力达到极限压时的转速)以上时，上述废气旁通阀打开，排气的一部分流到旁通通道。据此，流入涡轮的排气量减少，增压压力的上升得到抑制。
此外，专利文献1的发动机具备将发动机的排气通道和进气通道相连接的EGR通道和设置在EGR通道的EGR阀。在上述截止转速以上的高速区域，上述废气旁通阀打开而EGR阀关闭。据此，通过上述EGR通道的排气流动被遮断，将排气从排气通道送回进气通道的操作(废气再循环)停止。
即使如专利文献1那样在截止转速时废气旁通阀打开(且EGR阀关闭)，据此抑制流入涡轮的排气流量，但是如果从该状态发动机转速进一步上升等而排气流量增大，涡轮上游的排气压力(排气压)也逐渐增大。另一方面，增压压力、即压缩机下游的进气通道的压力维持恒定，因此，发动机转速越上升，相对于增压压力的排气压的增大量就越大。这会导致泵浦损失增大，会使耗油性能恶化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2007-315173号
发明内容
本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种能够根据需要适当地执行抑制增压压力的增压压力控制，并且能够改善发动机的耗油性能的带涡轮增压器的发动机。
用于解决上述问题的本发明的带涡轮增压器的发动机，包括：发动机主体，包含至少一个气缸；进气通道，用于将空气导入气缸；排气通道，用于排出在气缸生成的排气；涡轮增压器，包含利用通过排气通道的排气的能量被驱动的涡轮和由该涡轮驱动而加压进气通道内的空气的压缩机；EGR通道，将与所述涡轮相比位于上游侧的所述排气通道和与所述压缩机相比位于下游侧的所述进气通道连通；EGR阀，设置于所述EGR通道且能够开闭；旁通通道，以旁通所述涡轮的方式设置在所述排气通道；废气旁通阀，设置在所述旁通通道且能够开闭；以及控制单元，控制所述EGR阀以及废气旁通阀，使得在设定于发动机转速成为预先规定的第一转速以上的速度区域的至少一部分的特定运转区域，所述压缩机供应的增压压力不超过预先规定的极限压。所述控制单元，在增压压力上升至所述极限压时，执行使所述EGR阀打开且使所述废气旁通阀关闭的第一增压压力控制，在该第一增压压力控制开始后发动机转速上升至比所述第一转速高的第二转速时，执行不仅使所述EGR阀打开而且使废气旁通阀打开的第二增压压力控制。所述第一转速是对应于截止点的发动机转速，该截止点是位于发动机的全负荷线上且增压压力达到所述极限压的运转点。
此外，在“使EGR阀打开且使废气旁通阀关闭的第一增压压力控制”的结构中，“关闭废气旁通阀”是指废气旁通阀只要以使流入旁通通道的排气充分少的方式实质上关闭即可，并不一定要全闭(开度0％)。
根据本发明的带涡轮增压器的发动机，能够根据需要适当地执行抑制增压压力的增压压力控制，并且能够改善发动机的耗油性能。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的带涡轮增压器的发动机的整体结构的图。
图2是上述发动机的主要部分的侧视图。
图3是表示上述发动机的控制***的框图。
图4是根据是否需要抑制增压压力的增压压力控制来划分发动机的运转区域的说明图。
图5是表示在发动机的全负荷条件下转速变化时的各种状态量的变化的图。
图6是用于说明进行增压压力控制的运转区域中的燃料喷射的状态的图。
图7是表示通过上述燃料喷射而在气缸内形成的混合气的分布的图。
图8是用于说明本发明的变形例的图。
图9是用于说明本发明的其他变形例的图。
具体实施方式
(1)发动机的整体结构
图1及图2表示本发明的一实施方式所涉及的带涡轮增压器的发动机。该图中所示的发动机是作为行驶用的动力源而搭载于车辆的四冲程的火花点火式多缸汽油发动机。具体而言，本实施方式的发动机包括：具有以列状排列的四个气缸2的串联四缸型的发动机主体1；用于向发动机主体1的各气缸2导入空气的进气通道10；用于排出在发动机主体1的各气缸2生成的排气的排气通道30；以及利用排气的能量被驱动的涡轮增压器20。
在发动机主体1的各气缸2分别***有活塞3，这些活塞3能够往复滑动，在各活塞3的上方区划形成有燃烧室2a。在燃烧室2a，从后述的喷射器9喷射的燃料和空气的混合气燃烧，基于该燃烧的膨胀能量使活塞3往复运动。并且，该活塞3的往复运动通过图外的曲轴机构转换为曲轴(输出轴)的旋转运动。在曲轴的一端侧设置有用于检测曲轴的转速(即发动机转速)的发动机速度传感器SN1。
在发动机主体1的上部(气缸盖)设置有：用于将从进气通道10供应的空气导入各气缸2的燃烧室的进气口4；开闭进气口4的进气门6；用于将在各气缸2的燃烧室2a生成的排气导出到排气通道30的排气口5；以及开闭排气口5的排气门7。进气门6以及排气门7分别由具有凸轮轴和凸轮等的阀动机构(省略图示)驱动，从而与发动机主体1的曲轴的旋转联动而开闭。
在发动机主体1的上部(气缸盖)，在各气缸2分别设置有一组喷射器9和点火塞8(点火装置)，喷射器9向各气缸2的燃烧室2a喷射燃料(在此为以汽油为主成分的燃料)，点火塞8向从喷射器9喷射的燃料和空气的混合气供应点火能量。
点火塞8具有从各气缸2的顶部中央向燃烧室2a突出的电极部，从该电极部释放出的火花作为点火能量被供应至混合气。喷射器9被设置成从各气缸2的进气侧的侧方指向燃烧室2a的中心，并朝向点火塞8的电极部的下方喷射燃料。
进气通道10具有：与各气缸2的进气口4连通的4个独立进气通道11；共同设置在各独立进气通道11的上游侧(吸入空气的流动方向的上游侧)的平衡箱12；以及设置在平衡箱12的上游侧的单管状的进气管13。
在进气管13设置有用于调节吸入空气量的能够开闭的节流阀14和用于冷却由涡轮增压器20压缩的空气的中间冷却器15。此外，在平衡箱12设置有用于检测吸入空气量的气流传感器SN2和用于检测吸入空气的压力的进气压传感器SN3。
排气通道30具有：与各气缸2的排气口5连通的4个独立排气通道31；各独立排气通道31的下游端部(排气的流动方向下游侧的端部)汇合的排气汇合部32；以及设置在排气汇合部32的下游侧的单管状的排气管33。
在排气管33设置有内置三元催化剂等催化剂的催化转换器35以及***等(省略图示)。此外，在排气汇合部32设置有用于检测排气的压力(排气压)的排气压传感器SN4。
涡轮增压器20具有：设置在排气通道30的排气汇合部32的正下游(排气汇合部32与排气管33之间)的涡轮室21；设置在涡轮室21内的涡轮22；设置在进气管13内的压缩机23；以及将这些涡轮22以及压缩机23互相连接的连接轴24。在发动机运转过程中，如果从发动机主体1的各气缸2排出排气，该排气通过独立排气通道31等而流入涡轮增压器20的涡轮室21，从而涡轮22接收排气能量而高速旋转。此外，通过连接轴24与涡轮22连接的压缩机23以与涡轮22相同的转速被驱动，由此通过进气管13的吸入空气被加压，被压送至发动机主体1的各气缸2。
在排气通道30设置有用于旁通涡轮增压器20的涡轮22的旁通通道42，该旁通通道42将涡轮室21和其下游侧的排气管33相连接，且在该旁通通道42的中途部设置有能够开闭的废气旁通阀43。如果废气旁通阀43打开，从发动机主体1排出的排气的至少一部分通过旁通通道42，因此，流入涡轮22的排气的量减少，涡轮22的驱动力得到抑制。
排气通道30与进气通道10通过EGR通道45而相连接。该EGR通道45是用于将从发动机主体1排出的排气的一部分送回至进气侧的通道，即进行所谓的废气再循环(ExhaustGas Recirculation)的通道。EGR通道45的一端部连接于与涡轮22相比位于上游侧的排气通道30，更具体而言，连接于排气汇合部32，EGR通道45的另一端部连接于与压缩机23相比位于下游侧的进气通道，更具体而言，连接于平衡箱12。
在EGR通道45设置有用于冷却EGR气体(被送回进气***的排气)的EGR冷却器46和用于控制通过EGR通道45的EGR气体的流量的能够开闭的EGR阀47。在EGR阀47设置有用于检测其开度的EGR开度传感器SN5。
(2)控制***
接下来，使用图3说明发动机的控制***。本实施方式的发动机的各部由ECU(发动机控制单元)50进行总合控制。ECU50如已周知是由CPU、ROM、RAM等构成的微处理器，是相当于权利要求的“控制单元”的部分。
来自各种传感器的信息逐次被输入至ECU50。具体而言，ECU50与设置在发动机的各部的上述发动机速度传感器SN1、气流传感器SN2、进气压传感器SN3、排气压传感器SN4以及EGR开度传感器SN5电连接。此外，本实施方式的车辆中设置有用于检测由驾驶者操作的图外的加速踏板的开度(加速器开度)的加速器开度传感器SN6，ECU50也与该加速器开度传感器SN6电连接。ECU50基于来自这些传感器SN1～SN6的输入信号，取得发动机转速、吸入空气量、增压压力(压缩机23下游的吸入空气的压力)、排气压(涡轮22上游的排气的压力)、EGR阀47的开度以及加速器开度等各种信息。
ECU50基于来自这些传感器SN1～SN6的输入信号执行各种运算等，并控制发动机的各部。即，ECU50与点火塞8、喷射器9、节流阀14、废气旁通阀43以及EGR阀47电连接，基于上述运算的结果等，向这些设备分别输出驱动用的控制信号。
(3)增压压力控制
接下来，参照图4的映射说明ECU50进行的发动机控制的具体例。
在图4中，WOT表示发动机的全负荷线(加速器全开时的发动机转矩)。在本实施方式中，由于发动机具有涡轮增压器20，因此，发动机的全负荷线WOT被设定为高于自然进气时(无增压时)的发动机转矩的上限、即自然进气线NA。
存在于全负荷线WOT上的点IC是所谓的截止点。截止点是由涡轮增压器20的压缩机23加压的吸入空气的压力、即增压压力达到预先规定的极限压(为了保护发动机以及涡轮增压器而设定的上限增压压力)的运转点，是为防止增压压力上升至极限压以上而开始增压压力控制的点。另外，在以下说明中，将与截止点IC对应的发动机转速Ni称为“截止转速Ni”。截止转速Ni相当于权利要求中的“第一转速”。
在图4的映射中，发动机转速达到截止转速Ni以上的速度区域中的高负荷侧的区域被设为第一运转区域R1。此外，发动机转速低于截止转速Ni的速度区域中的高负荷侧的区域被设为第二运转区域R2。换言之，可以说第一运转区域R1是发动机的全负荷线WOT中包含与截止转速Ni相比位于高速侧的范围的高速且高负荷的区域，第二运转区域R2是发动机的全负荷线WOT中包含与截止转速Ni相比位于低速侧的范围的低速且高负荷的区域。另外，除第一运转区域R1以及第二运转区域R2以外的剩下的区域被设为第三运转区域R3。
高速且高负荷的第一运转区域R1是相当于权利要求的“特定运转区域”。在该第一运转区域R1，排气流量多于其他运转区域(R2、R3)，增压压力容易变高。对此，在第一运转区域R1，作为增压压力控制，执行调整EGR阀47以及废气旁通阀43的开度的控制，以使增压压力不超过上述极限压。详细内容将在后面叙述，在第一运转区域R1，EGR阀47至少打开，废气旁通阀43关闭或打开。
在低速且高负荷的第二运转区域R2，EGR阀47以及废气旁通阀43均关闭。
在除第一运转区域R1、第二运转区域R2以外的第三运转区域R3，只有EGR阀47打开，废气旁通阀43维持关闭状态。但是，此时的EGR阀47的打开并不是为了控制增压压力，而是为了满足排气排放方面的要求且减少泵浦损失而进行。
进一步详细说明在上述第一运转区域R1执行的增压压力控制。本实施方式的增压压力控制包含：使EGR阀47打开且使废气旁通阀43关闭的第一增压压力控制和使废气旁通阀43以及EGR阀47均打开的第二增压压力控制。这些第一增压压力控制和第二增压压力控制基于EGR率的大小而分开使用。此外，EGR率是被导入到各气缸2的EGR气体量除以全部气体量(被导入到各气缸2的吸入空气量和EGR气体量之和)的值乘100的值，也就是说，是用百分率表示相对于全部气体量的EGR气体量的比例的值。
当发动机的运转点转移到高速且高负荷的第一运转区域R1时，伴随于此，增压压力上升至上述极限压。ECU50基于从进气压传感器SN3输入的信息(增压压力的实测值)检测到该情况。于是，ECU50首先执行在维持废气旁通阀43的关闭状态下打开EGR阀47的第一增压压力控制。该第一增压压力控制只要EGR率不达到预先规定的上限值则继续执行。之后，如果EGR率达到上限值，ECU50将控制切换到不仅使EGR阀47打开，而且使废气旁通阀43打开的第二增压压力控制，以使不让EGR率上升至该上限值以上。
在此，作为分开使用第一增压压力控制和第二增压压力控制的基准的EGR率可由EGR阀47的开度和EGR阀47前后的压力差来推定。具体而言，在发动机的运转过程中，ECU50基于由发动机速度传感器SN1和加速器开度传感器SN6等的检测值确定的发动机的运转状态(转速、负荷)，从规定的映射数据读取EGR阀47的目标开度，并且，控制EGR阀47的开度以使EGR阀47的开度与该目标开度一致。而且，ECU50确定排气压传感器SN4检测出的排气汇合部32的压力与进气压传感器SN3检测出的平衡箱12的压力之差来作为EGR阀47前后压力差，并基于该确定的压力差和EGR开度传感器SN5检测出的EGR阀47的开度，推定通过EGR通道45的EGR气体的流量。而且，ECU50由气流传感器SN2的检测值确定将吸入空气以及EGR气体这两者的流量相加的值、即全部气体量，并基于该全部气体量和上述推定的EGR气体流量计算出EGR率。
如上所述，ECU50在发动机的运转过程中基于从各种传感器获得的信息并通过运算逐次推定EGR率。并且，在需要抑制增压压力的上述第一运转区域R1运转时，根据推定的上述EGR率是否上升到预先规定的上限值，择一执行只让EGR阀47打开的第一增压压力控制和让EGR阀47以及废气旁通阀43均打开的第二增压压力控制中的任一个控制。
图5是表示发动机的运转点沿着全负荷线WOT从低速侧移动至高速侧时的废气旁通阀43以及EGR阀47的开度、EGR率、进气压(压缩机23下游的吸入空气的压力，即增压压力)以及排气压(涡轮22上游的排气的压力)的变化的图。如该图所示，在发动机的运转点处于与截止点IC相比低的速度区域的期间，进气压和排气压与发动机转速成比例上升。即，在与截止点IC相比位于低速侧的全负荷线WOT上运转时，EGR阀47以及废气旁通阀43均被设定为全闭，因此，从各气缸2排出的排气全部被导入至涡轮22。因此，如果发动机转速上升而排气的流量增大，伴随于此，排气压上升且压缩机23的增压能力提高，压缩机23下游的进气压即增压压力上升。
另一方面，如果发动机的运转点到达截止点IC，增压压力上升至极限压(图5的进气压的曲线图中所记的Pi)，以此为时机，EGR阀47打开。也就是说，开始使废气旁通阀43维持关闭状态而只让EGR阀47打开的第一增压压力控制。在该第一增压压力控制中，通过使EGR阀47打开，从各气缸2排出的排气的一部分通过连接于排气汇合部32的EGR通道45而返回到进气通道10。据此，流入与排气汇合部32相比设置在下游侧的涡轮22的排气量减少，因此，增压压力的上升停止，增压压力维持极限压Pi。
如果运转点进一步转移到与截止点IC相比位于高速侧的区域，为了将增压压力维持在极限压Pi，EGR阀47的开度与发动机转速成比例增大。据此，通过EGR通道45从排气通道30返回进气通道10的排气(EGR气体)的量增加，因此，压缩机23的增压能力得到抑制，而EGR率上升。然后，如果EGR率上升至上限值(图5的EGR率的曲线图中所记的V)，以此为时机，追加打开废气旁通阀43。也就是说，开始EGR阀47以及废气旁通阀43均打开的第二增压压力控制。此外，在图5的最下段部的映射中，将EGR率达到上限值V的线记为X。换言之，在上述实施方式中，在第一增压压力控制开始后，当发动机转速上升至与线X对应的转速时，增压压力控制从第一增压压力控制切换为第二增压压力控制。另外，与线X对应的转速相当于权利要求的“第二转速”。
在此，可将作为用于如上所述地从第一增压压力控制切换为第二增压压力控制的阈值的EGR率的上限值V设定为例如25％。当然，根据发动机的特性等，上限值V可能适当变化，并不限定于25％。但是，考虑兼顾燃烧稳定性以及耗油量，上限值V应设定在20％～40％的范围，更优先20％～30％的范围的任意值。
在执行上述第二增压压力控制时，废气旁通阀43的开度伴随发动机转速的上升而增大，以便即使发动机速度上升(即使排气流量增大)，增压压力也维持在极限压Pi。另一方面，EGR阀47需将EGR率抑制在上限值V以下，因此，基本上维持在恒定值。
如果伴随第二增压压力控制，不仅EGR阀47打开，而且废气旁通阀43也打开，排气的一部分通过EGR通道45返回到进气通道10，并且，另外的排气的一部分流入旁通通道42(也就是说，旁通涡轮22)，因此，全部排气量中流入涡轮22的排气的比例进一步减少。这样，通过追加打开废气旁通阀43(产生旁通涡轮22的排气的流动)，能够将EGR率抑制在上限值V以下，并且，能够抑制压缩机23的增压能力而将增压压力维持在极限压Pi。
在此，在执行上述第一增压压力控制或第二增压压力控制的第一运转区域R1，发动机的转速以及负荷高，而且排气的一部分作为EGR气体被导入气缸2内，因此，气缸2内的燃烧容易不稳定。为了解决此种问题，在本实施方式中，在上述第一运转区域R1运转时，执行从喷射器9分多次喷射燃料的分期喷射。
具体而言，在第一运转区域R1运转时，ECU50如图6所示地分为进气冲程中的前段喷射F1和压缩冲程后半段的后段喷射F2使喷射器9喷射燃料。若如此地分为前段喷射F1以及后段喷射F2喷射燃料，则如图7所示，在压缩上止点附近时刻，在燃烧室2a的中心侧(点火塞8的电极部附近)形成基于前段喷射F1以及后段喷射F2的富油的混合气M2，并在其周围形成仅基于前段喷射F1的稀薄的混合气M1。于是，在压缩上止点附近，当从点火塞8的电极部释放出火花时，该火花(点火能量)作用于相对富油的混合气M2，因此，该混合气M2比较容易点火而形成火种(火焰核)。一旦形成火种，即使作为惰性气体的EGR气体多少存在于燃烧室2a，以该火种为中心的火焰传播无问题地进行，不会中途熄灭。
如上所述，在执行EGR的第一运转区域R1，为了确保燃烧稳定性，从喷射器9分多次喷射燃料，在点火塞8附近形成相对富油的混合气(图7的M2)。
(4)作用等
如以上说明，本实施方式的发动机具备：包含涡轮22以及压缩机23的涡轮增压器20；将比涡轮22位于上游侧的排气通道30(排气汇合部32)和比压缩机23位于下游侧的进气通道10(平衡箱12)连通的EGR通道45；设置在EGR通道45的能够开闭的EGR阀47；以旁通涡轮22的方式设置在排气通道30的旁通通道42；设置在旁通通道42的能够开闭的废气旁通阀43；以及控制EGR阀47以及废气旁通阀43，以便在设定于发动机转速成为截止转速Ni(第一转速)以上的速度区域的高负荷侧的区域的第一运转区域R1(特定运转区域)，压缩机23供应的增压压力不超过预先规定的极限压Pi的ECU50(控制单元)。具体而言，ECU50当增压压力达到极限压Pi时，执行使EGR阀47打开且使废气旁通阀43关闭的第一增压压力控制。并且，当在该第一增压压力控制下EGR阀47被打开从而EGR率上升到预先规定的上限值V时(换言之，发动机转速上升至与图4的线X对应的转速(第二转速)时)，执行不仅使EGR阀47打开而且使废气旁通阀43打开的第二增压压力控制。根据此种结构，具有根据需要适当执行抑制增压压力的增压压力控制，且能够改善发动机的耗油性能的优点。
即，在上述实施方式中，在排气流量变多的条件时(在第一运转区域R1运转时)，作为用于抑制增压压力的控制，首先执行使EGR阀47打开且使废气旁通阀43关闭的第一增压压力控制。如果EGR阀47打开，排气的一部分从涡轮22的上游侧分流到EGR通道45而返回到进气通道10，因此，流入涡轮22的排气量减少，增压压力的上升得到抑制(维持在极限压Pi)。而且，分流到EGR通道45的排气返回到进气通道10，因此，发挥缩小排气压与进气压之差的作用。据此，泵浦损失有效地降低，耗油性能进一步提高。
当然，如果单是抑制增压压力，通过使EGR阀47关闭且使废气旁通阀43就能实现。但是，如果这样做，相对于进气压(与增压压力相同)的排气压的增加量扩大，会导致泵浦损失的增大。即，在截止转速Ni以上的高速区域打开废气旁通阀43，增压压力维持规定的极限压Pi，而如图5的排气压的曲线图中的“无EGR”线(点划线)所示，涡轮22的上游侧的排气压逐渐增大。这是因为，将排气量减少一点，涡轮22的驱动力也大大下降，因此，想要得到增压压力维持极限压Pi程度的增压能力，并不能那样多的减少流入涡轮22的排气，不能像所需的那样抑制排气压。因此，如上所述地通过打开废气旁通阀43控制增压压力的情况下，越是高速侧，排气压与进气压之差△H2越大，泵浦损失增大。
相对于此，在上述实施方式中，作为第一增压压力控制，打开EGR阀47并关闭废气旁通阀43，因此，如图5的排气压的曲线图中的“有EGR”线(实线)所示，抑制上述的排气压的上升，能够有效地减少泵浦损失。即，通过打开EGR阀47，排气通过EGR通道45返回到进气通道10(具体而言，与压缩机23相比位于下游侧的平衡箱12)，该返回的排气(EGR气体)追加到吸入空气，因此，如果增压压力(＝进气压)恒定，压缩机23应压缩的吸入空气量减少与上述追加的EGR气体相对应的量。这意味着向涡轮22施加的驱动力小，能够更多地减少流入涡轮22的排气量，结果，能够更低地抑制涡轮22上游的排气压。如上所述，根据利用EGR控制增压压力的第一增压压力控制，与打开废气旁通阀43控制来控制增压压力的情况(所谓的将排气废弃到涡轮22的下游侧的情况)相比，即使降低排气压也能获得所需的增压压力，因此，能够使排气压与进气压之差△H1小，能够减少泵浦损失来进一步提高耗油性能。
此外，如果将EGR气体混入吸入空气中，发动机转矩可能下降，但即使在截止转速Ni以上的高速区域导入EGR气体，也不会立即导致转矩的下降。即，增压发动机的转矩大致由增压压力、点火时机、排气温度限制等三个主要因素决定，如果在被设定于截止转速Ni以上的高速区域(且高负荷区域)的第一运转区域R1适当地导入EGR气体，爆震得到抑制，并且排气温度下降，因此，能够使点火时机提前，相对于导入到发动机的空气量(以及与此成比例决定的燃料的喷射量)的比输出增大。而且，基于上述的泵浦损失的减少效果，输出也提高。如上所述，如果是适量的EGR气体，能够在不会因导入该EGR气体而降低发动机转矩下降的情况下，提高耗油性能。
另一方面，持续执行如上所述的第一增压压力控制(利用EGR抑制增压压力的控制)直到EGR率超过上限值V的情况下，可能引起燃烧稳定性下降(或熄火)等问题。对此，在上述实施方式中，在第一增压压力控制下EGR率上升到上限值V的时刻，执行不仅使EGR阀47打开而且使废气旁通阀43打开的第二增压压力控制。据此，排气的一部分通过EGR通道45返回到进气通道10，并且，其他的排气的一部分流入旁通通道42(即旁通涡轮22)，因此，不用过多地增加向进气通道10的排气的再循环量，就能够充分减少流入涡轮22的排气量。其结果，可靠地防止EGR率变得过大而燃烧稳定性变差的情况，并且，能够在不超过极限压Pi的范围适当地控制增压压力。
此外，在上述实施方式中，在执行第一增压压力控制或第二增压压力控制的第一运转区域R1运转时，从喷射器9分多次喷射燃料，使得在点火塞8(点火装置)附近形成相对富油的混合气(图7的M2)。根据此种结构，在执行惰性的EGR气体被导入气缸2内的第一增压压力控制或第二增压压力控制时，也能够伴随来自点火塞8的点火能量的供应而可靠地使混合气点燃，能够提高燃烧稳定性。
(5)变形例
在上述实施方式中，在执行第一增压压力控制或第二增压压力控制的第一运转区域R1运转时，为了提高混合气的点燃性而执行了燃料的分期喷射，但是用于提高混合气的点燃性的方法并不限定于分期喷射。对此，以下说明为了提高混合气的点燃性而可采用的其他方式来作为第一变形例或第二变形例。
(5-1)第一变形例
在上述实施方式中，作为点火装置的点火塞8在各气缸2分别设有一个，但是在图8所示的第一变形例中，在各气缸2各设有两个点火塞8，使用这两个点火塞8来提高点燃性。
具体而言，在执行第一增压压力控制或第二增压压力控制时(在图4所示的第一运转区域R1运转时)，执行使两个点火塞8通电并从其前端的电极部释放火花的控制。这样，如果从两个点火塞8释放火花，点火能量倍增，因此，在存在惰性的EGR气体的环境下，也能可靠地使混合气点燃。另一方面，在不执行增压压力控制的剩余的运转区域R2、R3(图4)，为了仅从两个点火塞8中的其中一个火花塞释放火花而遮断对另一个火花塞的通电。这是为了在无点燃性的顾虑的运转区域R2、R3避免无用地释放火花，来抑制能量消耗量。
此外，在上述第一变形例中，通过设置多个点火塞8来增大供应到混合气的点火能量，但是增大点火能力的方法并不限定于设置多个点火塞8(所谓的多点点火)的方法。作为多点点火以外的例子，可考虑采用在航空器用喷气发动机等中实用化的等离子体喷气点火。
等离子体喷气点火是通过向具备等离子体生成用的升压电路等的点火塞的电极部施加高电压，由此将该电极部产生的高能量的等离子体作为点火能量供应到混合气。如果在上述第一运转区域R1执行此种等离子体喷气点火，能够进一步可靠地提高在EGR气体被导入的第一运转区域R1的混合气的点燃性。
此外，等离子体喷气点火用的点火塞也可以通过降低向电极部的施加电压，能够与上述实施方式的点火塞8同样地利用火花放电使混合气点燃。因此，在除上述第一运转区域R1的剩下的运转区域R2、R3，为了抑制能量消耗量，优选不执行等离子体喷气点火而执行通常的火花释放。
(5-2)第二变形例
在图9所示的第二变形例中，各气缸2的进气口4弯曲形成，以在气缸2内形成强的旋涡流，基于该旋涡流，EGR气体偏在于气缸2的外周侧。
具体而言，在第二变形例中，将进气通道10(独立进气通道11)和各气缸2连通的进气口4在各气缸2各设有两个。在以下说明中，设两个进气口4中的其中一个为第一进气口4A、另一个为第二进气口4B。第一进气口4A在下游侧的开口部(与气缸2的连通部)附近具有弯曲部，该弯曲部朝向与气缸2的中心不同的方向弯曲，更具体而言，朝向与连接第一进气口4A的下游侧开口和气缸2的中心的线成分大致垂直的方向弯曲。另一方面，第二进气口4B与第一进气口4A同样也具有弯曲部，但其前端被设定为指向气缸2的中心。
根据此种结构，利用从第一进气口4A导入的吸入空气，形成以沿周向旋回气缸2的外周部的方式流动的旋涡流S1，并且，利用从第二进气口4B排出的吸入空气，形成较小地旋回气缸2的中心部附近的旋涡流S2。
此外，在发动机主体1形成有EGR口45a，其作为EGR通道45的下游侧的一部分。该EGR口45a连接于为了形成外周侧的旋涡流S1而弯曲形成的第一进气口4A。
如果在如上所述的第二变形例执行EGR，从EGR口45a向第一进气口4A导入EGR气体。于是，该EGR气体通过第一进气口4A被导入气缸2内，伴随于此，该EGR气体沿外周侧的旋涡流S1主要旋回气缸2的外周部。据此，EGR气体偏在于气缸2的外周部，因此，在气缸2的内部获得越是外周侧，EGR气体的浓度越高，越是内周侧，EGR气体的浓度越稀薄的分布。换言之，在上述第二变形例中，EGR气体向气缸2的导入位置被设定为利用在气缸2内生成的旋涡流，EGR气体偏在于气缸2的外周侧。
如上所述，根据EGR气体偏在于气缸2的外周侧的第二变形例，能够使气缸2的中心部的EGR气体的浓度稀薄，因此，利用在气缸2的顶部中央释放火花的点火塞8，能够可靠地使混合气点燃。
(6)其他
此外，在上述的实施方式以及变形例中，以发动机为火花点火式发动机、也就是说，使以汽油为主成分的燃料以从点火塞释放火花为时机而强制燃烧的方式的发动机为前提而进行了说明，但可适用本发明的发动机只要是具备涡轮增压器的发动机即可，基本上不涉及发动机本身的燃烧方式。因此，也可将本发明适用于使以汽油为主成分的燃料通过自点火而燃烧的预混合压缩点火式汽油发动机以及以轻油为主成分的燃料通过自点火而燃烧的柴油发动机。
在预混合压缩点火式汽油发动机中适用本发明的情况下，在各气缸设置点火塞，在高速且高负荷的运转区域(相当于图4的第一运转区域R1的区域)运转时，也可以进行在所需的点火时期之前从点火塞释放火花而促进混合气的自点火(增大点火能量)的所谓的点火辅助。此外，也可以在进气通道或气缸内设置可生成臭氧的臭氧生成装置，在上述高速且高负荷区域运转时，从上述臭氧生成装置供应臭氧来提高混合气的点燃性。
另一方面，在柴油发动机中适用本发明的情况下，也可以在各气缸设置电热塞，在高速且高负荷的运转区域(相当于图4的第一运转区域R1的区域)运转时，使电热塞通电来加热气缸内而提高点燃性。
此外，在上述实施方式中，不仅在第一运转区域R1(特定运转区域)使EGR阀47打开，而且在第三运转区域R3也打开EGR阀47，将由EGR冷却器46冷却的排气经由EGR通道45而从进气通道10再循环到排气通道30，但是，至少在第三运转区域R3的低负荷侧(例如与自然进气线NA相比位于低负荷侧)，可使未由EGR冷却器46冷却的高温的排气再循环。为此，可考虑例如设置旁通EGR冷却器46的旁通通道，仅在第三运转区域R3的低负荷侧开放上述旁通通道。或者，在第三运转区域R3的低负荷侧，也可以执行使在气缸2内生成的排气残留在气缸2的所谓的内部EGR。此外，内部EGR可通过例如不仅在排气冲程打开排气阀7，而且在进气冲程也打开排气阀7，或者在夹着排气上止点的规定期间关闭进气阀6以及排气阀7两者来实现。
(7)实施方式的概括
最后，概括说明上述实施方式以及变形例中公开的特征结构以及基于此的作用效果。
在上述实施方式等公开的带涡轮增压器的发动机，包括：发动机主体，包含至少一个气缸；进气通道，用于将空气导入气缸；排气通道，用于排出在气缸生成的排气；涡轮增压器，包含利用通过排气通道的排气的能量被驱动的涡轮和由该涡轮驱动而加压进气通道内的空气的压缩机；EGR通道，将与所述涡轮相比位于上游侧的所述排气通道和与所述压缩机相比位于下游侧的所述进气通道连通；EGR阀，设置于所述EGR通道且能够开闭；旁通通道，以旁通所述涡轮的方式设置在所述排气通道；废气旁通阀，设置在所述旁通通道且能够开闭；以及控制单元，控制所述EGR阀以及废气旁通阀，使得在设定于发动机转速成为预先规定的第一转速以上的速度区域的至少一部分的特定运转区域，所述压缩机供应的增压压力不超过预先规定的极限压。所述控制单元，在增压压力上升至所述极限压时，执行使所述EGR阀打开且使所述废气旁通阀关闭的第一增压压力控制，在该第一增压压力控制开始后发动机转速上升至比所述第一转速高的第二转速时，执行不仅使所述EGR阀打开而且使废气旁通阀打开的第二增压压力控制。
根据此种结构，在因发动机转速成为第一转速以上而排气流量变多的条件时(在特定运转区域运转时)，作为用于抑制增压压力的控制，首先执行使EGR阀打开且使废气旁通阀关闭的第一增压压力控制。如果EGR阀打开，排气的一部分从涡轮的上游侧分流到EGR通道而返回到进气通道，因此，流入涡轮的排气量减少，增压压力的上升得到抑制。而且，分流到EGR通道的排气返回到进气通道，因此，发挥缩小排气压与进气压之差的作用。据此，泵浦损失有效地降低，耗油性能进一步提高。
但是，在上述特定运转区域内一律地执行如上所述的第一增压压力控制的情况下，伴随发动机转速进一步提高而EGR率过大，可能引起燃烧稳定性下降(或熄火)等问题。为了处理此种问题，在上述结构中，在发动机转速上升到比第一转速高的第二转速的时刻，执行不仅使EGR阀打开而且使废气旁通阀打开的第二增压压力控制。据此，排气的一部分通过EGR通道返回到进气通道，并且，其他的排气的一部分流入旁通通道(即旁通涡轮)，因此，不用过度地增加向进气通道的排气的再循环量，就能够充分减少流入涡轮的排气量。其结果，可靠地防止EGR率变得过大而燃烧稳定性变差的情况，并且，能够在不超过极限压的范围适当地控制增压压力。
在此，作为上述第一转速，可采用对应于截止点的发动机转速，该截止点是位于发动机的全负荷线上且与增压压力达到所述极限压的运转点。
在上述结构中，优选：所述控制单元在发动机的全负荷线中包含与所述第一转速相比位于低速侧的范围的运转区域，使所述EGR阀和所述废气旁通阀均关闭。
如果采用该结构，在低速且高负荷的运转区域，能够将充分的空气量导入气缸内，并且，能够最大限度地发挥涡轮增压器的性能。
在上述结构中，优选：所述控制单元在执行所述第一增压压力控制时，发动机转速越上升，使所述EGR阀的开度越增大。
如果采用该结构，能够将增压压力适当地维持在上述极限压。
在上述结构中，优选：所述第二转速是在所述第一增压压力控制下所述EGR阀被打开从而EGR率上升至预先规定的上限值时的发动机转速。
如果采用该结构，能够确保燃烧稳定性的情况下防止增压压力的过度上升。
在此，所述EGR率是以百分率表示EGR气体量在被导入到所述气缸的全部气体量中所占的比例的值。此时，所述EGR率的上限值被设定为20％以上且40％以下。
如果采用该结构，在执行上述第一增压压力控制或第二增压压力控制的特定运转区域，能够兼顾燃烧稳定性和耗油量。
在上述结构中，优选：所述控制单元在执行所述第二增压压力控制时，发动机转速越上升，使所述废气旁通阀的开度越增大，并且，不管发动机转速如何，将所述EGR阀的开度维持在恒定值。
如果采用该结构，即使在排气流量特多的运转条件下，也能够将增压压力适当地维持在上述极限压。
在上述结构中，优选：在所述EGR通道设有用于冷却EGR气体的EGR冷却器。
如上所述，在由EGR冷却器冷却高温的排气后使其再循环到进气通道的情况下，在执行上述第一增压压力控制或第二增压压力控制时，能够防止导入到气缸的空气的密度下降，能够充分确保发动机的输出转矩。
发动机也可以还包括：点火装置，向所述气缸内供应用于点燃混合气的点火能量；以及喷射器，向所述气缸内喷射燃料。此时优选：所述控制单元在执行所述第一增压压力控制或所述第二增压压力控制时，使从所述喷射器分多次喷射燃料，以便在所述点火塞附近形成相对富油的混合气。
如上所述，在点火塞附近形成富油的混合气的情况下，即使伴随第一增压压力控制或第二增压压力控制而惰性EGR气体被导入气缸内，也能够伴随来自点火装置的点火能量的供应而可靠地使混合气点燃，能够提高燃烧稳定性。
在上述发动机包括向所述气缸内供应用于点燃混合气的点火能量的点火装置的情况下，优选：所述控制单元在执行所述第一增压压力控制或所述第二增压压力控制时，使从所述点火装置供应的点火能量增大。
如上所述，即使通过增大从点火装置供应的点火能量，也能提高EGR气体存在的环境下的混合气的点燃性。
上述发动机也可以还包括使在所述气缸内产生旋涡流的旋涡生成装置。此时优选：所述EGR气体向所述气缸内的导入位置被设定为：从所述EGR通道导入所述气缸内的EGR气体基于所述旋涡流而偏在于该气缸的外周侧。
如上所述，在使EGR气体偏在于气缸的外周侧的情况下，能够使气缸的中心部的EGR气体的浓度稀薄，因此，例如使用从气缸的顶部中央供应点燃能量的点火装置，能够可靠地使混合气点燃。

Claims (11)

1.一种带涡轮增压器的发动机，其特征在于包括：
发动机主体，包含至少一个气缸；
进气通道，用于将空气导入气缸；
排气通道，用于排出在气缸生成的排气；
涡轮增压器，包含利用通过排气通道的排气的能量被驱动的涡轮和由该涡轮驱动而加压进气通道内的空气的压缩机；
EGR通道，将与所述涡轮相比位于上游侧的所述排气通道和与所述压缩机相比位于下游侧的所述进气通道连通；
EGR阀，设置于所述EGR通道且能够开闭；
旁通通道，以旁通所述涡轮的方式设置在所述排气通道；
废气旁通阀，设置在所述旁通通道且能够开闭；以及
控制单元，控制所述EGR阀以及废气旁通阀，使得在设定于发动机转速成为预先规定的第一转速以上的速度区域的至少一部分的特定运转区域，所述压缩机供应的增压压力不超过预先规定的极限压，其中，
所述控制单元，在增压压力上升至所述极限压时，执行使所述EGR阀打开且使所述废气旁通阀关闭的第一增压压力控制，在该第一增压压力控制开始后发动机转速上升至比所述第一转速高的第二转速时，执行不仅使所述EGR阀打开而且使废气旁通阀打开的第二增压压力控制，
所述第一转速是对应于截止点的发动机转速，该截止点是位于发动机的全负荷线上且增压压力达到所述极限压的运转点。
2.根据权利要求1所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
所述控制单元在发动机的全负荷线中包含与所述第一转速相比位于低速侧的范围的运转区域，使所述EGR阀和所述废气旁通阀均关闭。
3.根据权利要求1所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
所述控制单元在执行所述第一增压压力控制时，发动机转速越上升，使所述EGR阀的开度越增大。
4.根据权利要求1所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
所述第二转速是在所述第一增压压力控制下所述EGR阀被打开从而EGR率上升至预先规定的上限值时的发动机转速。
5.根据权利要求4所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
所述EGR率是以百分率表示EGR气体量在被导入到所述气缸的全部气体量中所占的比例的值。
6.根据权利要求5所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
所述EGR率的上限值被设定为20％以上且40％以下。
7.根据权利要求1所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
所述控制单元在执行所述第二增压压力控制时，发动机转速越上升，使所述废气旁通阀的开度越增大，并且，不管发动机转速如何，将所述EGR阀的开度维持在恒定值。
8.根据权利要求1所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于：
在所述EGR通道设有用于冷却EGR气体的EGR冷却器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于还包括：
点火装置，向所述气缸内供应用于点燃混合气的点火能量；以及
喷射器，向所述气缸内喷射燃料，其中，
所述控制单元在执行所述第一增压压力控制或所述第二增压压力控制时，使从所述喷射器分多次喷射燃料，以便在所述点火装置附近形成相对富油的混合气。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于还包括：
点火装置，向所述气缸内供应用于点燃混合气的点火能量，其中，
所述控制单元在执行所述第一增压压力控制或所述第二增压压力控制时，使从所述点火装置供应的点火能量增大。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的带涡轮增压器的发动机，其特征在于还包括：
旋涡生成装置，使在所述气缸内产生旋涡流，其中，
所述EGR气体向所述气缸内的导入位置被设定为：从所述EGR通道导入所述气缸内的EGR气体基于所述旋涡流而偏在于该气缸的外周侧。
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