具有废气再循环系统的发动机系统及其控制方法技术领域
本发明涉及一种发动机系统及其控制方法，更具体来说，涉及具有废气再
循环系统(EGR系统)的发动机系统及其控制方法。
背景技术
以往，在具有废气再循环系统的发动机系统中，通过将发动机排出的尾气
(EGR气体)经由导管引入电子节气门后的进气歧管中，然后与进气歧管中的
新鲜空气经过均匀混合后，再使EGR气体与新鲜空气的混合气体一起进入发动
机的气缸(内燃机)中(例如参照专利文献1(CN103485937A)、专利文献2
(ZL200980160751.7)等)。
通过引入EGR气体，能够实现降低NOx、优化排放，同时提高燃油效率。
但是，在像上述专利文献1、专利文献2这样的现有技术中，由于EGR气
体与新鲜空气均匀混合，因此，存在如下问题：
(1)当EGR率达到20％以上时，会存在着火困难，甚至失火现象，反而
会影响排放及油耗；
(2)由于在燃烧边缘(如气缸壁附近)处温度比较低，因此，存在燃烧
不完全的现象，并且随着EGR率的提高，不完全燃烧的比例也随之增大，进而
使尾气排放及燃油效率变差。
因而，有必要使EGR气体与新鲜空气的混合气体进行分层。
为了实现上述EGR气体与新鲜空气的混合气体进入发动机的气缸(内燃
机)后的分层，例如在专利文献3(ZL03148289.9)、专利文献4
(ZL201310711724.2)等中，采用各种不同的方式实现分层。
例如，在专利文献3(ZL03148289.9)中，通过使进气歧管延伸的方式来
实现分层，在专利文献4(ZL201310711724.2)中，通过导流板来实现分层。
但是，无论是上述专利文献3，还是专利文献4，EGR气体与新鲜空气最
终在进气气门前混合，因而，分层后的气体在进气气门前混合时仍会受到新鲜
空气的影响。
因此，如何实现能够实现EGR气体与新鲜空气最终在进入发动机的气缸
(内燃机)后仍然处于分层分布的状态便成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于提供一种具有废气再循环系
统的发动机系统，该发动机系统能够实现EGR气体与新鲜空气最终在进入发动
机的气缸(内燃机)后仍然处于分层分布的状态。
本发明的另一目的在于提供一种具有废气再循环系统的发动机系统的控
制方法，通过上述控制方法，能够使进入气缸后位于气缸底部的尾气比例最大、
新鲜空气最少，位于气缸上层(即火花塞周围)的尾气比例最小、新鲜空气最
多。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种具有废气再循环系统的
发动机系统，上述发动机系统包括内燃机和尾气排放管，上述废气再循环
系统包括EGR气体回流管，在上述内燃机的气缸盖上具有多个进气气门和
多个排气气门，其特征是，上述发动机系统的进气歧管或从上述进气歧管
分岔出的进气支管与设于上述气缸盖的多个进气气门中的新鲜空气用进气
气门连接，上述废气再循环系统的上述EGR气体回流管的一端连接到上述
尾气排放管的中途，另一端与设于上述气缸盖的多个进气气门中的EGR气
体用进气气门连接，上述EGR气体用进气气门相对于新鲜空气用进气气门
提前规定的提前量。
根据如上所述构成，不是像现有技术这样使EGR气体与新鲜空气在进
气歧管中均匀混合后，再进入发动机系统的内燃机的燃烧室，而是使EGR
气体与新鲜空气分别经由不同的进气气门进入内燃机的燃烧室，因而，能
够避免因EGR气体与新鲜空气均匀混合后进入燃烧室而引起的现有技术所存
在的(1)和(2)这两个技术问题。
另外，根据如上所述构成，由于上述EGR气体用进气气门相对于新鲜
空气用进气气门提前规定的提前量，因此，能够实现EGR气体与新鲜空气最
终在进入发动机的气缸(内燃机)后仍然处于分层分布的状态。
本发明第二方面的具有废气再循环系统的发动机系统是在本发明第一
方面的具有废气再循环系统的发动机系统的基础上，其特征是，上述规定
的提前量是恒定的提前量。
通过如上所述构成，能在任何情况下，均保持EGR气体与新鲜空气在进
入发动机的气缸(内燃机)后的分层分布状态。
本发明第三方面的具有废气再循环系统的发动机系统是在本发明第一
方面的具有废气再循环系统的发动机系统的基础上，其特征是，基于在上
述进气歧管或上述进气支管中流动的新鲜空气的量以及在上述EGR气体回
流管中流动的EGR气体的量，计算上述规定的提前量。
通过如上所述构成，由于基于在上述进气歧管或上述进气支管中流动
的新鲜空气的量以及在上述EGR气体回流管中流动的EGR气体的量，计算
上述规定的提前量，因此，在EGR气体用进气气门基本开启到最大时(EGR
气体用进气气门的升程量最大时)，将新鲜空气用进气气门开启，这样进入气
缸后位于气缸底部的EGR气体的比例最大、新鲜空气最少，同时在新鲜空气
用进气气门基本开启到最大时(新鲜空气用进气气门的升程量最大时)，将EGR
气体用进气气门关闭，这样能使进入气缸后位于气缸上层(即火花塞周围)的
EGR气体比例最小、新鲜空气最多。
本发明的第二方面提供一种具有废气再循环系统的发动机系统的控制
方法，其特征在于，包括：对是否导入有EGR气体进行判断的步骤；在判
断为导入有EGR气体时，对EGR气体量进行计算的EGR气体量计算步骤；
在上述EGR气体量计算步骤后，计算EGR气体导入时刻的提前量的提前量
计算步骤；在上述EGR气体量计算步骤后，计算进气气门的开启时刻的进
气气门开启时刻计算步骤；基于在上述提前量计算步骤中计算出的EGR气
体导入时刻的提前量和在上述进气气门开启时刻计算步骤中计算出的上述
进气气门的开启时刻，计算出EGR气体导入时刻的EGR气体导入时刻计算
步骤；以及根据在上述EGR气体导入时刻计算步骤中计算出的EGR气体导
入时刻，控制进气气门中的EGR气体用进气气门，以使其运动至与上述EGR
气体导入时刻相应的目标位置的EGR气体用进气气门调节步骤。
通过如上所述的控制方法，由于包括EGR气体导入时刻计算步骤和EGR
气体用进气气门调节步骤，因此，能够调节EGR气体用进气气门的开启时
刻，以使进入气缸后位于气缸底部的尾气比例最大、新鲜空气最少，位于气缸
上层(即火花塞周围)的尾气比例最小、新鲜空气最多。
附图说明
图1是表示现有技术中的具有废气再循环系统的发动机系统的示意图。
图2是表示本发明一实施方式的具有废气再循环系统的发动机系统的示
意图。
图3(a)和图3(b)是分别表示现有技术和本发明的发动机系统中的气
缸盖周围的局部结构的示意图。
图4(a)和图4(b)是分别表示现有技术和本发明的发动机系统中的与
进气气门对应的凸轮的开启时刻的图。
图5(a)和图5(b)是分别表示现有技术和本发明的发动机系统中的进
气气门的气门升程量的图。
图6是对本发明的具有废气再循环系统的发动机系统的控制方法进行说
明的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的具有废气再循环系统的发动机系统及其控
制方法进行详细说明。
首先，通过参照并对比图1和图2，来对本发明的具有废气再循环系统的
发动机系统的整体结构进行说明。图1是表示现有技术中的具有废气再循环系
统200’的发动机系统100’的示意图，图2是表示本发明一实施方式的具有
废气再循环系统200的发动机系统100的示意图。
在此，如图1和图2所示，以涡轮增压式的发动机系统为例进行说明，但
本发明不局限于此，也可以是自然吸气式的发动机系统。
如图1和图2所示，发动机系统100(100’)包括进气口110(110’)、
涡轮增压器120(120’)、中冷器130(130’)、电子节气门140(140’)、
内燃机150(150’)以及尾气排放管160(160’)等。
新鲜空气从进气口110(110’)进入涡轮增压器120(120’)，并在
通过涡轮增压器120(120’)进行增压后，进入中冷器130(130’)进行
冷却，接着经由电子节气门140(140’)流入发动机系统100(100’)的
进气歧管P(P’)，最终进入内燃机150(150’)的燃烧室。
另外，发动机系统100(100’)还包括废气再循环系统200(200’)，
上述废气再循环系统200(200’)包括EGR气体回流管210(210’)，在上
述EGR气体回流管210(210’)的中途设置有EGR气体冷却器211(211’)、
EGR气体温度传感器212(212’)以及EGR气体阀门213(213’)。
通过上述EGR气体回流管210(210’)，使一部分尾气从发动机系统100
(100’)的尾气排放管160(160’)流出，并在EGR气体冷却器211(211’)
中对温度较高的尾气进行冷却后，作为EGR气体最终进入发动机系统100
(100’)的内燃机150(150’)的燃烧室。
更具体来说，在图1所示的现有技术的发动机系统100’中，EGR气体
回流管210’的一端连接到尾气排放管160’的中途，另一端连接到发动机
系统100’的进气歧管P’的中途，从尾气排放管160’流出的尾气作为EGR
气体流入进气歧管P’，并在进气歧管P’中与如上所述的新鲜空气充分混
合后，经由发动机系统100’的气缸盖CyH’(参照图3(a))最终进入发动
机系统100(100’)的内燃机150(150’)的燃烧室。
另一方面，在图2所示的本发明的发动机系统100中，EGR气体回流
管210的一端连接到尾气排放管160的中途，另一端直接连接到发动机系
统100的气缸盖CyH的进气气门(EGR气体用进气气门IntV2)(参照图3(b))，
从尾气排放管160’流出的尾气作为EGR气体直接进入发动机系统100(100’)
的内燃机150(150’)的燃烧室。
下面，参照图3(a)和图3(b)对现有技术和本发明的气缸盖的结构
进行详细说明。其中，图3(a)是表示现有技术的发动机系统100’中的气
缸盖CyH’周围的局部结构的示意图，图3(b)是表示本发明的发动机系统
100中的气缸盖CyH周围的局部结构的示意图。
在此，需要对内燃机的进气和排气进行简单的说明。
目前的发动机系统一般采用的是所谓“四气门双顶置凸轮轴”式的气
缸，其是一种在内燃机的气缸盖内配置有两条凸轮轴的气门排列形式，两
条凸轮轴分别控制进气气门和排气气门。对于发动机系统的各气缸来说，
分别具有两个进气气门和两个排气气门(总计四个气门)。在本发明中，
只涉及到其中两个进气气门。
另外，以四缸发动机为例，四缸发动机的发动机系统具有一个进气歧
管，四个气缸中的每个气缸均具有两个进气气门、两个排气气门和四个凸
轮，每个凸轮与每个气门(进气气门或排气气门)对应设置。也就是说，
四缸发动机的发动机系统总计具有十六个气门和十六个凸轮，上述十六个
气门中，八个为进气气门，八个为排气气门，另外，上述十六个凸轮中，
八个为进气凸轮，八个为排气凸轮。发动机系统中的一个进气歧管(或称
为进气总管)分岔成四个进气支管，四个进气支管的开闭共用一根凸轮轴。
在图3(a)所示的现有的气缸盖CyH’上，具有两个进气气门IntV1’、
IntV2’和两个排气气门ExtV1’、ExtV2’，发动机系统100’的进气歧管P’
(或是从进气歧管所分岔出的进气支管)同时与两个进气气门IntV1’、IntV2’
连通，由此，在进气歧管P’(或进气支管)中均匀混合后的新鲜空气与EGR
气体的混合气同时经由两个进气气门IntV1’、IntV2’进入内燃机150’的
燃烧室。
另一方面，在图3(b)所示的本发明的气缸盖CyH上，同样地具有两
个进气气门(新鲜空气用进气气门IntV1、EGR气体用进气气门IntV2)和两个
排气气门ExtV1、ExtV2，发动机系统100的进气歧管P(或是从进气歧管所分
岔出的进气支管)与两个进气气门中的新鲜空气用进气气门IntV1连通，而废
气再循环系统200的EGR气体回流管210(或是从EGR气体回流管所分岔出的
EGR气体回流支管)与两个进气气门中的EGR气体用进气气门IntV2连通。藉
此，进气歧管P(或进气支管)中的新鲜空气(未与EGR气体混合)直接经由
新鲜空气用进气气门IntV1进入内燃机150的燃烧室，同时EGR气体回流管
210(或EGR气体回流支管)中的EGR气体(未与新鲜空气混合)直接经由
EGR气体用进气气门IntV2进入内燃机150的燃烧室。
在此，使用图4(a)和图4(b)，对与两个进气气门IntV1(IntV1’)、
IntV2(IntV2’)相对应的凸轮的开闭时刻进行说明。其中，图4(a)是表示
现有技术的发动机系统100’中的与进气气门IntV1’、IntV2’对应的凸轮C1’、
C2’的开启时刻的图，图4(b)是表示本发明的发动机系统100中的与进气气
门(新鲜空气用进气气门IntV1、EGR气体用进气气门IntV2)对应的凸轮C1、
C2的开启时刻的图。
如图4(a)所示，在现有技术中，由于发动机系统100’的进气歧管P’
(或是从进气歧管所分岔出的进气支管)同时与两个进气气门IntV1’、IntV2’
连通，因此，两个进气气门IntV1’、IntV2’的开启时刻和关闭时刻必须相同。
另一方面，如图4(b)所示，在本发明中，由于发动机系统100的进气
歧管P(或是从进气歧管所分岔出的进气支管)与新鲜空气用进气气门IntV1
连通，而废气再循环系统200的EGR气体回流管210(或是从EGR气体回流管
所分岔出的EGR气体回流支管)与EGR气体用进气气门IntV2连通，因此，使
EGR气体用进气气门IntV2的开启时刻早于新鲜空气用进气气门IntV1的开启
时刻，以使EGR气体比新鲜空气先进入内燃机150的燃烧室。
在图4(b)中，用实线表示与新鲜空气用进气气门IntV1对应的凸轮C1，
用虚线表示与EGR气体用进气气门IntV2对应的凸轮C2。
另外，使用图5(a)和图5(b)，对两个进气气门IntV1(IntV1’)、
IntV2(IntV2’)的气门升程量进行说明。其中，图5(a)是表示现有技术的
发动机系统100’中的进气气门IntV1’、IntV2’的气门升程量的图，图5(b)
是表示本发明的发动机系统100中的进气气门IntV1、IntV2的气门升程量的
图。
如图5(a)所示，两个进气气门IntV1’、IntV2’基本同时开启、同时
关闭，因此，两个进气气门IntV1’、IntV2’的升程量基本相同。
另一方面，如图5(b)所示，使EGR气体用进气气门IntV2的开启时刻
早于新鲜空气用进气气门IntV1的开启时刻，并且在EGR气体用进气气门IntV2
基本开启到最大时(EGR气体用进气气门IntV2的升程量最大时)，将新鲜空
气用进气气门IntV1开启，这样进入气缸后位于气缸底部的EGR气体的比例最
大、新鲜空气最少。另外，在新鲜空气用进气气门IntV1基本开启到最大时
(新鲜空气用进气气门IntV1的升程量最大时)，将EGR气体用进气气门IntV2
关闭，这样能使进入气缸后位于气缸上层(即火花塞周围)的EGR气体比例最
小、新鲜空气最多。
在图4(b)、图5(b)中，以EGR气体用进气气门IntV2相对于新鲜空
气用进气气门IntV1提前30°为例进行了图示，但应当理解，本发明的EGR
气体用进气气门IntV2相对于新鲜空气用进气气门IntV1的提前量不局限于30
°，其能根据EGR气体的气体量、新鲜空气的进气量等计算出上述提前量。
以下，参照图6，对本发明的具有废气再循环系统200的发动机系统100
的控制方法进行说明。图6是对本发明的具有废气再循环系统200的发动机系
统100的控制方法进行说明的流程图。
如图6所示，在上述流程后，对是否导入有EGR气体进行判断(步骤S100)。
当判断为导入有EGR气体时(即步骤S200中判断为“是”时)，对EGR
气体量进行计算(步骤S200)。
接着，计算EGR气体导入时刻的提前量(步骤S300)和进气气门(新鲜
空气用进气气门IntV1和EGR气体用进气气门IntV2)的开启时刻(步骤S400)。
基于在步骤S300中计算出的EGR气体导入时刻的提前量和在步骤S400
中计算出的进气气门IntV1、IntV2的开启时刻，计算出EGR气体导入时刻(步
骤S500)。
接着，控制EGR气体用进气气门IntV2，以使其运动至与EGR气体导入时
刻相应的目标位置(步骤S600)，随后结束上述流程。
另一方面，当判断为没有导入EGR气体时(即步骤S200中判断为“否”
时)，直接结束上述流程。
另外，在上述步骤S200中，例如可以通过下式(1)来计算上述EGR气体
量。
QEGR＝f1(Ne，Le)×Qu＋f2(Pi，Ti)……(1)
其中：
QEGR：EGR气体的质量：
f1(，)：EGR气体量的基本比例关系：
Le：发动机的实际负数量：
f2(，）EGR气体的负正量关系的数：
Ne：发动机实际转速：
Qn：发动机的实际进气量：
Pi：发动机进气歧管内压力：
Ti：发动机进气歧管内温度：
另外，在上述步骤S500中，例如可以通过下式(2)来计算上述EGR气
体导入时刻。
TEGR＝f3(Ne,Le)＋f4(QEGR)＋Tair……(2)
其中：
TEGR：EGR气体导入时刻：
T3（EGR气体导入时刻的基本关系：
Tair：发动机新鲜气体进入时刻：
f4()：EGR气体量相关的导入时刻修正量：
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并
不受上述实施方式的限制。熟悉本领域的技术人员易于想到其它的优点和
修改。因此，在其更宽泛的方面上来说，本发明不局限于这里所示和所描
述的具体细节和代表性实施例。因此，可以在不脱离如所附权利要求书及
其等价物所限定的本总体发明概念的精神或范围的前提下作出各种修改。
在本发明的实施方式中，例如，以四缸发动机为例进行了说明，但本
发明不局限于此，也可以是单缸发动机、两缸发动机等其它任何类型的发
动机。
另外，在本发明的实施方式中，例如对每个气缸具有两个进气气门和
两个排气气门的情况进行了说明，但本发明不局限于此，每个气缸也可以
具有三个以上的进气气门和三个以上的排气气门。