专利名称：用于缸内直接喷射火花点火内燃机的控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种缸内直接喷射火花点火的内燃机，及更特别地，涉及到在要求所述内燃机中排气系统的催化转化器温度更早升高(更早活化)的内燃机冷启动时燃料喷射正时和点火正时的控制技术。
背景技术：
一篇于2002年7月5日授权的日本专利第3325230号(其相应于在2002年2月12日授权的美国专利No.6,345,499)描述一个在先提出的技术，其中作为一种缸内(inner cylinder或in-cylinder)直接喷射火花点火的内燃机的催化剂升温方法，至少进行两次分开的喷射，其中包括一个从吸气行程到点火正时的时间间隔内的后期喷射以在燃烧室内形成具有部分富余和稀薄空燃比的空气燃料混合物；及一个早期的喷射，其在所述后期喷射之前的时间被喷射、以由后期喷射的燃料和由后期喷射的燃烧进行延烧(spreading offire)，以产生比理论空燃比更稀薄的空燃比的空气燃料混合物，当用于排气净化目的的催化转化器处于未被升温状态下，其中催化转化器温度低于所述催化转化器的活化温度，点火正时朝向比MBT点(用于最大扭矩的最小点火提前角)更滞后的角度方向以预定的量被滞后，在内燃机无负荷区域点火正时被设置压缩行程上死点之前，并且在除了无负荷区域之外的低速度和低负荷区域点火正时被滞后到压缩上死点之后。上述的后期喷射在压缩行程的中期之后被执行，例如，120°BTDC(在上死点之前)到45°BTDC。
发明内容
在所述内燃机冷起动时，为了通过更早地活化催化转化器(催化剂)并且通过HC的后燃来减少HC(碳氢化合物)，滞后点火正时非常有效。此外，希望在压缩行程上死点后的一个时间下进行点火(所谓的ATDC点火)以获得减少HC的更大的效果。为了在所述ATDC点火下使得所述内燃机进行稳定的燃烧，有必要缩短燃烧的时间间隔。为了达到此目的，有必要加强在内燃机气缸内生成的湍流，以加强在内燃机气缸内产生的湍流及提高燃烧速度(火焰传播速度)。为了加强如上所述的湍流，会想到该湍流是由于在高压下被喷射到内燃机气缸中的燃料喷雾自身的能量而生成的。但是，在上述日本专利公开的技术中，第一次燃料喷射(早期喷射)在吸气行程中进行而第二次燃料喷射(后期喷射)在压缩行程中120°BTDC到45°BTDC的范围内进行。这样，由于后期喷射在所述压缩行程上死点之前进行，因此，即使由所述后期喷射造成的燃料喷雾在所述内燃机气缸内生成了湍流，则在所述压缩行程上死点后的时刻，该湍流会被减弱并且对通过所述ATDC点火的火焰的传播速度的升高没有帮助。
例如，假设对在所述内燃机进气口内安装了气体流动控制阀(例如，翻滚控制阀(a tumble control valve))被操作的情况下及在所述内燃机中没有安装上述气流控制阀的情况下对在内燃机气缸内的湍流的大小进行观察。所述气体流动控制阀的操作引起在吸气行程中生成的湍流随着压缩行程的进行而被减弱。随着在压缩行程后期的翻滚流的崩溃(collapse)，在压缩行程上死点后所述湍流迅速地被减弱。不能显著地期望利用该湍流来改进燃烧(火焰传播的提高)。同样的情况适用于由燃料喷雾引起的湍流上。即使通过在压缩行程上死点前的燃料喷射生成了湍流，该湍流在压缩行程上死点后也不会对点火燃烧有帮助。
因此，ATDC点火的优点在于升高所述排气温度并且减少HC排放。但是，不能建立稳定的燃烧。在上述日本专利第3323230号所述在先提出的技术中，无负荷区域内点火正时被设定在压缩行程上死点前(所谓的BTDC点火)(的时刻)。
考虑到上述现有情况，本发明的目的在于提供一种用于缸内直接火花点火内燃机的控制装置及方法，其能够获得通过ATDC点火的燃烧的稳定性的改进，ATDC点火是为了更早地活化所述催化剂(催化转化器)并且减少HC(碳氢化合物)。
根据本发明的一方面，提供一种用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，包括燃料喷射阀，配置为将燃料直接喷射到内燃机气缸内部；火花塞；及控制单元，所述控制单元被配置为在预定内燃机驱动条件下执行超滞后燃烧，以将点火正时设定在压缩行程上死点后并且在点火正时前及在压缩行程上死点后喷射燃料，并且配置为在内燃机刚启动后及燃料压力相对低的时间间隔中在压缩行程上死点前喷射至少一部分燃料以减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于缸内火花点火内燃机的控制方法，所述内燃机包括燃料喷射阀，被配置成将燃料直接喷射到内燃机气缸内；和火花塞；所述控制方法包括在预定内燃机驱动条件下执行超滞后燃烧，以将点火正时设定在压缩行程上死点后并且在所述点火正时前及压缩行程上死点后喷射燃料；及在所述内燃机刚启动后及在燃料压力为相对低的时间间隔内，在压缩行程上死点前喷射至少一部分燃料，以减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量。
该本发明的简述中未必描述了所有的必要的特征，所以本发明也可以是这些被描述特征的次组合。
图1为表示应用根据本发明的控制装置的缸内直接喷射火花点火的内燃机的系统结构视图；图2为表示在根据本发明的控制装置的第一优选实施例情况下超滞后燃烧的燃料喷射正时和点火正时的整体特性图；图3A、3B和3C为特性图，每个表示根据燃料压力的燃料喷射正时和点火正时的示例；图4为表示燃料压力在内燃机启动时的变化的特性图；图5为表示燃料压力和燃料颗粒直径之间关系的特性图；图6为表示超滞后燃烧中的转换控制程序的流程图；图7为特性图，表示根据本发明的控制装置的第二优选实施例中燃料压力和内燃机负荷(负荷)之间关系；图8为特性图，表示根据本发明的控制装置的第二优选实施例中由于喷雾生成的微小湍流(a minute turbulence)和燃料压力之间关系；图9为特性图，表示根据本发明的控制装置的第二优选实施例中缸内压力随着所述负荷的大小而变化；图10为特性图，表示根据本发明的控制装置的第三优选实施例中内燃机速度和燃烧稳定性之间关系；图11为特性图，表示根据本发明的控制装置的第三优选实施例中燃料喷射正时和燃烧稳定性之间的关系。
具体实施例方式
为了有利于更好地理解本发明，下面将参考附图。
第一实施例图1显示结构示意图，表示缸内直接喷射火花点火的内燃机的系统配置，根据本发明的第一优选实施例的控制装置可应用于其中。
一个进气通道4经过一个进气阀(或多个进气阀)被连接到燃烧室3上。燃烧室3通过一个内燃机1的活塞2而形成。一个排气通道5经过一个排气阀(或多个排气阀)连接到所述燃烧室3上。在进气通道4上布置一个空气流量计6用于检测空气进气量及一个电控节流阀7，该阀的打开角度由一个促动器8响应一个被供给到其中的控制信号进行控制。在排气通道5上布置一个排气净化催化转化器10。在所述催化转化器10的上游和下游侧布置空燃比的传感器11、12。而且，平行于所述空燃比传感器11，一个排气温度传感器13被布置在所述排气催化转化器10的上游侧以检测在催化转化器10进口的排气温度。
在燃烧室3的中心最高的部分布置一个火花塞14。而且，在燃烧室3的侧面部分布置一燃料喷射阀15以直接将燃料喷射进入燃烧室3。经过一高压燃料通道18，由高压燃料泵16和压力调节器17向所述燃料喷射阀15供给在一个预定压力下的经过压力调节的燃料。因此，一个控制脉冲导致每个气缸的燃料喷射阀15打开，从而喷射根据燃料喷射阀1 5打开的时间间隔而在数量上有改变的燃料。附图标记19表示燃料压力传感器以检测燃料压力及附图标记20表示一低压燃料泵，其将燃料供给到高压燃料泵16中。
此外，一冷却剂温度传感器21被布置在内燃机1上以检测内燃机冷却剂，及一个用于检测内燃机曲轴的曲柄角度(CA)的曲柄角度传感器22被布置在内燃机1上。而且，一加速器(accelerator)打开角度传感器23用于检测车辆驾驶员压下所述加速器踏板的量(压下深度)。
一控制单元25控制内燃机1的燃料喷射量、燃料喷射正时、点火正时等。上述的各个传感器的检测信号被输入到控制单元25。根据由这些输入信号而检测的内燃机驱动条件，控制单元25确定是否执行一个燃烧系统，也就是均匀燃烧或分层燃烧。根据被确定的燃烧系统，控制单元25控制电控节流阀7的打开角度、通过燃料喷射阀15的燃料喷射量及通过燃料喷射阀15的燃料喷射正时、通过火花塞14的点火正时等。应该注意到在内燃机升温结束之后，处于一个预定的低速和低负荷区域，在一个压缩行程中的适当的时间进行燃料喷射并且在压缩行程上死点之前的时间进行燃料点火，如同普通的分层燃烧驱动。一燃料喷雾被集中到火花塞14的附近，呈分层形式。因此，完成一个极稀薄的分层燃烧，其中空燃比为大致从30到40。而且，在一个预定的高速及高负荷区域，在吸气行程中进行燃料喷射并且在压缩行程上死点之前的用于最大扭矩的最小点火提前角的附近位置进行燃料点火，如同一个普通的均匀燃烧驱动。在这种情况下，在每个内燃机气缸内燃料变成同质空气燃料混合物。根据内燃机驱动状态，所述均匀燃烧驱动包括空燃比设定为理论空燃比(stoichiometric air-fuel ratio)的均匀理想燃烧以及使所述空燃比设定为大致从20到30的稀薄状态的均匀稀薄燃烧。
根据本发明，为了使得在内燃机冷起动中排气温度升高执行一超滞后燃烧，在所述冷起动中要求催化转化器10要更早地升高温度。此后，将参考图2对在超滞后燃烧中的燃料喷射正时和点火正时进行描述。
图2显示超滞后燃烧的三个示例。在第一示例中，所述点火正时设定为15°至30° ATDC(上死点后)(例如20°ATDC)并且燃料喷射正时(更详细地，燃料开始喷射时间)被设定在压缩行程上死点后并且在所述点火正时之前(一个时间)。应该注意的是在此时，所述空燃比被设定为理论空燃比或比所述理论空燃比稍微(通过一个预定的小的值)更稀薄一些(近似地为16到17)。
也就是说，为了促进催化剂(催化转化器10)升温并且减少HC，滞后点火正时是很有效的。因而，希望在压缩行程上死点之后进行该点火(被叫作ATDC点火)。但是，为了让内燃机完成通过该ATDC点火的一个稳定燃烧，需要缩短燃烧的时间间隔。为了缩短该燃烧的时间间隔，需要通过湍流促进火焰的传播。如上所述，在吸气行程中和在压缩行程中生成的湍流被消弱。但是在根据本发明的该实施例中，在压缩上死点后的膨胀行程中进行高压燃料喷射引起气体流动(gas flow)的生成。该气体流动可以生成和加强在气缸内的湍流。因此，在ATDC点火的火焰的传播受到促进从而使建立稳定的燃烧成为可能。应该注意的是在图2中BDC表示下死点。
下面，图2中的第二示例为(由控制单元25)将一个燃料喷射分为两次(两次燃料喷射)的示例。第一次燃料喷射在吸气行程中进行而第二次燃料喷射在压缩行程的上死点(TDC)后进行。应该注意所述点火正时和空燃比(两次喷射的总空燃比)与第一示例相同。
在第二示例的方法中，当在吸气行程中进行的燃料喷射(吸气行程喷射)早于在压缩行程上死点后的燃料喷射(膨胀行程喷射)时，在后半个压缩行程中由吸气行程喷射的燃料喷雾导致的湍流被消弱并且在压缩行程上死点后很难给气体流动加强施加影响。但是，由于燃料燃烧被扩散到整个燃烧室3，所述燃料的燃烧在整个ATDC点火中对HC的后燃(after burning)起到促进的作用。因此，图2所示的第二示例对于减少HC并且对排气温度的升高很有效。
而且在图2所示的第三示例中，所述燃料喷射被分程两次，第一次燃料喷射在压缩行程进行而第二次燃料喷射在压缩行程上死点后进行。在第三示例中，在所述压缩行程上死点后的燃料喷射(膨胀行程喷射)之前，进行所述压缩行程中的燃料喷射(压缩行程喷射)。在该情况下，与第二示例中的吸气行程燃料喷射相比，压缩行程燃料喷射提供对通过压缩行程喷射的燃料喷雾导致的湍流的减弱的延迟。因此，由第一次燃料喷射产生的湍流被保留。在压缩行程上死点后进行第二次燃料喷射，使得所述湍流被增强从而促进在第一次燃料喷射生成的湍流，并且可以进一步获得在所述压缩行程上死点附近的气体流动加强。
在第三示例的情况下，第一次压缩行程燃料喷射可以在压缩行程的第一半部进行。但是，如果第一次喷射被设定在压缩行程的后半部(在90°BTDC后)，在上死点附近的湍流可进一步地提高。特别地，如果第一次压缩行程燃料喷射在45°BTDC(上死点前)后进行，更理想地在20°BTDC后进行，则在压缩上死点后的气体流动可以进一步得到加强。
如上所述，根据参考图2描述的示例1、示例2和示例3的超滞后燃烧，通过刚好在点火前的燃料喷雾，在每个内燃机气缸内的湍流可以被生成和加强，火焰的传播得到促进。而且，可以获得稳定的燃烧。特别地，由于点火正时被滞后到15°ATDC至30°ATDC，可以获得催化转化器10的更早的活化及充分的后燃效果以减少HC。换句话说，即使所述点火正时被大大地滞后，所述燃料喷射被滞后到刚好在点火正时前的时间，以滞后(延迟)湍流生成的时间。因此，可以获得由于火焰传播提高而造成的燃烧的改进。
下面，将描述在内燃机1冷启动时有关燃料压力的控制。应该注意的是，在此所描述的是图2所示的第三示例(也就是，所述燃料喷射被分成两次喷射，第一次燃料喷射在所述压缩行程进行而第二次燃料喷射在压缩行程上死点后进行)在冷启动期间的控制。图2所示第一示例或图2所示第二示例也可以被采用。所述内燃机1从一个冷的环境下进行启动的情况下，由于排气的温度上升，希望在所述内燃机启动后立即执行所述超滞后燃烧。但是，在所述内燃机刚刚启动后的一个短的时间内(例如从摇动开始(the start ofcranking)起大致1到2秒钟)所述燃料压力不够(相对较低)并且烟气或HC排放变得更糟。图4显示摇动开始后的燃料压力的变化。虽然这与内燃机速度的升高相类似，但在摇动开始后，一个初始的爆炸燃烧生成在例如图4所示的a点处附近。而且，随著内燃机速度的升高，所述燃料压力到达一个目标燃料压力(例如图4中的P1点)。此外，图5显示在压缩行程上死点附近燃料被喷射的情况下燃料压力和燃料颗粒直径之间的关系。如图5所示，当所述燃料压力变低时，颗粒直径变大。随着颗粒直径的加大，烟气和HC排放会变得更差。
因此，在该实施例中，直到燃料压力达到如图4所示的一个预定压力P1(例如，设定为大约2MPa，其等于或高于在压缩行程上死点时气缸内部的压力，其中所述活塞到达在压缩行程中的上死点)，当所述燃料压力如图3B所示足够大时，在所述压缩行程上死点后的膨胀行程喷射I2的喷射量与超滞后燃烧(图3A)时相比被设定为减少，而在所述压缩行程上死点前的压缩行程喷射I1的喷射量被增加。还有，在此时，随着膨胀行程喷射I2的喷射量的减少，点火正时ADV受到修正而提前(向着一个提前角方向移动)。在压缩行程上死点前由压缩行程喷射I1喷射的燃料在膨胀行程喷射I2的喷射正时之前被扩散进入缸内，以形成稀薄空气燃料混合物。因此，即使所述燃料压力或多或少地低一些，仍能够抑制烟气和HC变劣的情况。
另外，在此时，在膨胀行程喷射I2和压缩行程喷射I1之间的比率变成一个根据所述燃料压力而不同的比率。进行控制使得当所述燃料压力变小时减少膨胀行程喷射I2的比率。因此，在一个相对低的燃料压力阶段能够准确地避免烟气和HC排放的变劣。
另外，在所述燃料压力非常低的条件下并且膨胀行程喷射I2(的宽度)等于或低于一个预定的最小喷射时间段(低限值)时，则在压缩行程中(压缩行程上死点之前)喷射所有的燃料量，如图3C所示。换句话说，在膨胀行程喷射I2的比率变成0并且在压缩行程喷射I1的比率变成100％。具体地，在燃料压力低于图4中的(目标)燃料压力P1的阶段，所有的燃料量在压缩行程中进行喷射。
因此，从摇动开始起燃料喷射的形式被改变为三个阶段。首先，在第一阶段中，所述燃料压力非常低，具体地从被摇动开始的时间点起到所述燃料压力到达压力P2的时间点，所有的燃料量如图3C所示在压缩行程中进行喷射。在该燃料喷射正时中，与在压缩行程上死点时相比，缸内压力较低并且在直到点火发生前的时间内燃料与空气的混合被促进。因此，即使燃料压力较低，仍能够确保开始初始爆炸燃烧。此外，能够避免烟气和HC排放的恶化。下面，在燃料压力处于图4中的P2和P1之间时的第二阶段中，执行如图3B所示的燃料喷射形式，其中燃料喷射被分成膨胀行程喷射I2和压缩行程喷射I1。在该阶段中，点火正时位于滞后角方向。因此，在一个早的阶段就开始了上升排气温度同时抑制烟气和HC排放恶化的作用。然后，在所述燃料压力到达图4所示的(目标)燃料压力P1的第三阶段时，执行图3A所示的超滞后燃烧。从而，可以最大地获得排气温度的升高作用。
应该注意燃料喷雾的颗粒直径受到燃料温度的影响，并且当燃料温度变低时燃料颗粒直径变大。因此，当燃料温度变低时，膨胀行程喷射I2的喷射量变得减少。如此，在所述燃料温度变低时，膨胀行程喷射I2和压缩行程喷射I1之间的比率可以被修改，以更进一步减少膨胀行程喷射I2的喷射量。
图6显示根据上述燃料压力的超滞后燃烧的转换控制程序的示例的流程图。在第一步骤S1中，控制单元25根据吸入空气的温度、内燃机冷却剂温度、油温和/或其它因素确定是否存在排气温度升高的请求(要求)。如果存在所述排气温度升高的请求(Yes)，所述程序进入到第二步骤S2，其中执行超滞后控制(燃烧)。如果没有所述排气温度升高的请求(在步骤S1中No)，程序进入到步骤S7，其中执行普通的燃料喷射控制。在此要注意(在步骤S7中)所有的燃料量在压缩行程上死点前被喷射，也就是在压缩行程或在吸气行程中喷射。
下面，在步骤S3中，控制单元25确定燃料压力是否等于或低于一个预定的值。如果控制单元25确定所述燃料压力等于或低于所述预定的值(在步骤S3中Yes)，程序进入到步骤S5，如所述的，在步骤S5中执行所述燃料喷射，该燃料喷射中燃料喷射被分成两次，其状态为执行增加压缩行程或吸气行程期间的喷射量而同时减少在膨胀行程中的喷射量。如果燃料压力足够高(在步骤S3中No)，程序进入到步骤S4。在步骤S4中，控制单元25确定燃料温度是否等于或低于一个预定的值。如果燃料温度等于或低于所述预定的值(在步骤S4中Yes)，程序进入到相同步骤S5。此外，如果燃料温度足够高(在步骤S4中No)，程序进入步骤S2，在其中执行预定的超滞后燃烧。应该注意，在步骤S5中，在膨胀行程喷射时的或在吸气行程喷射时的喷射量要根据燃料压力和燃料温度来设定。此外，在第六步骤S6中，控制单元25确定在膨胀行程喷射时喷射量(喷射宽度)是否等于或小于(短于)一个预定的低限值(预定的最小喷射时间段)。如果在膨胀行程喷射时的喷射量等于或小于所述预定的低限值(在步骤S6中Yes)，程序进入到步骤S7，其中执行普通的喷射控制。如果在膨胀行程喷射时的喷射量大于所述预定的低限值(在步骤S6中No)，程序返回到步骤S5。
应该注意的是，在吸收NOx的催化剂作为在内燃机1的排气系统中的催化转化器10而被使用时，所述超滞后燃烧可被用于执行硫中毒的解除。所述NOx捕捉催化剂在流过它的排气中的排气空燃比为稀薄的时候吸收NOx，并且由于吸收被排出的NOx的催化转化作用执行净化处理。但是，当在燃料中的含硫成分(SOx)与所述催化剂结合时，NOx的吸收性能被降低。因此，有必要执行在适当的时期、使催化剂处在强制高温下来使SOx释放和减少的处理(即所谓的硫中毒解除)。上述的超滞后燃烧获得非常高的排气温度。因此，上述超滞后燃烧变成适合于NOx捕捉催化剂的硫中毒解除处理。
在第一实施例中，在预定驱动条件下，例如在要求升高排气温度的情况下，执行所述超滞后燃烧，其中点火正时被设定在压缩行程上死点后且燃料在压缩行程上死点后点火正时之前被喷射。要注意的是，在吸收NOx的NOx捕捉催化剂中，由于含硫成分附着在所述NOx捕捉催化剂上导致其NOx的吸收性能下降。因此，需要通过强制地使所述催化剂处于高温下以释放SOx来执行SOx释放处理(SOx的硫中毒解除)。当执行SOx释放处理时可以利用用于升高排气的温度的所述超滞后燃烧。此外，在第一实施例中，特别地，在内燃机刚启动后及在燃料压力相对较低(低于预定值)的时间间隔内，至少一部分燃料在压缩行程上死点之前被喷射，也就是，在吸气行程或在压缩行程中被喷射，以减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量。更详细地说，在吸气行程或压缩行程中产生的湍流在压缩行程上死点后被减弱。但是，依照在压缩行程上死点后的膨胀行程中执行的燃料喷射，可以生成和加强在燃烧室3内的湍流，并且可促进在ATDC点火时的火焰传播。因此，其中点火正时在压缩行程上死点之后的所述超滞后燃烧被稳定地建立。
在燃料于压缩行程上死点之后被喷射的超滞后燃烧中，如果燃料压力不足够高，燃料喷雾的燃料颗粒的直径变大，致使烟气和HC排放变劣发生。因此，在压缩行程上死点附近，气缸内的压力，例如，等于或高于1.5Mpa，不能使燃料变成最小化(最小颗粒)，除非燃料压力指示为2.0Mpa或更高。然而，在所述内燃机启动中，随着摇动开始燃料开始被升高并且随着内燃机的速度而升高。因此，由于在内燃机启动后立即进行的不足燃料压力下的超滞后燃烧，可能会生成烟气和HC。因此，在第一实施例中，在内燃机刚启动后的时间间隔内，在压缩行程上死点之后的燃料喷射量被减少并且至少一部分燃料在压缩行程上死点之前被喷射，也就是在吸气行程或压缩行程中被喷射。这样，通过减少在压缩行程上死点后的燃料喷射，可以抑制低燃料压力造成的烟气或HC排放变劣。
在第一实施例中，当执行超滞后燃烧并且当燃料压力相对高时在压缩行程上死点后所有的燃料量被喷射，并且当所述燃料压力相对低时在压缩行程上死点之前部分燃料被喷射。在第一实施例中，当执行所述超滞后燃烧时，燃料喷射被分成两次，第一次燃料喷射在压缩行程上死点前执行并且第二次燃料喷射在压缩行程上死点后执行，并且当燃料压力相对低时，在第二次喷射的燃料喷射量的比率被减少。在第一实施例中，由控制单元25控制燃料的喷射量，以当燃料压力变得较低时减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量的比率。在第一实施例中，在压缩行程上死点后燃料喷射的宽度等于或短于所述预定最小喷射时间段的条件下，在压缩行程上死点前所有的燃料量被喷射。在第一实施例中，在压缩行程上死点后燃料喷射和在压缩行程上死点前的燃料喷射之间的燃料喷射量的比率要根据燃料温度进行修正。在第一实施例中，当所述燃料压力相对较低时，所述点火正时被修正，以便随着在压缩行程上死点之后燃料喷射量的减少向着提前角方向移动。
应该注意的是，在用于缸内直接喷射火花点火内燃机的控制方法中，其中所述内燃机具有直接将燃料喷射进入缸内的燃料喷射阀和火花塞，在该内燃机启动的第一阶段中，所有的燃料量在压缩行程上死点之前的吸气行程或压缩行程期间被喷射并且在压缩行程上死点之前进行点火，在随后的第二阶段中，部分燃料在吸气行程或压缩行程中被喷射并且燃料的剩余部分在压缩行程上死点后进行喷射并且在压缩行程上死点后进行点火并且滞后于该燃料喷射正时，以及在随后的第三阶段中，执行所述超滞后燃烧，其中在压缩行程上死点后的燃料喷射量的比率大于第二阶段中的比率。
第二实施例根据本发明的用于缸内直接喷射火花点火内燃机的控制装置的一个第二优选实施例将在下面进行描述。图1和图2可应用到该第二实施例中并且该第二实施例的内容基本上与上述的第一实施例相同。因此，仅将对其不同于第一实施例的部分进行描述。
如上所述，在该第二实施例中，在图1中，压力调节器17配置为能够在一个相当大的范围内改变被供给到燃料喷射阀15的燃料压力，该压力调节器17作为燃料压力改变装置(燃料压力改变部)。控制单元25通过压力调节器17以及在第一实施例中描述的其它控制来控制燃料压力。
应该注意，在内燃机暖机(warm up)结束后，在预定低速及低负荷区域，所述燃料喷射在压缩行程中的适当的时间进行，并且燃料的点火在压缩行程上死点之前的时间进行，与普通的分层燃烧驱动相同。燃料喷雾被聚集在所述火花塞14附近，呈分层形式。因此，可以获得所述极稀薄分层燃烧，其中空燃比为近似30到40。此时，从燃料阀15被喷射的燃料的燃料压力沿预定的特征来控制，从而，随着负荷的上升，经过燃料阀15被喷射的燃料的燃料压力逐步变高，如图7所示的特性，使得燃料喷射间隔关于燃料喷射量的增加不会变得过长。
如在第一实施例中所述，图2显示超滞后燃烧的三个示例。在第一示例中，为了获得由燃料喷雾造成的湍流的生成，由压力调节器17控制的燃料压力被给定在一个比上述普通分层燃烧驱动(参考图7的a)还足够高的水平上。这也就是说，为了促进催化剂(催化转化器10)升温及减少HC(碳氢化合物)排放，滞后点火正时是非常有效的。因而，希望在所述压缩行程上死点后点火(一个所谓的ATDC点火)。但是，为了依靠所述ATDC点火使内燃机执行稳定的燃烧，需要缩短燃烧的时间间隔。为了缩短燃烧时间间隔，需要通过湍流来促进火焰传播。如上所述，在吸气行程和在压缩行程生成的湍流被减弱。但是，在根据本发明的该实施例中，在压缩行程上死点后的膨胀行程中进行的高压燃料喷射气体流动的生成。该气体流可以生成和加强在缸内的湍流。因此，在ATDC点火中的火焰传播得到促进，使得建立稳定的燃烧成为可能。图8显示由于喷雾自身在所述缸内中生成的微小湍流和燃料压力之间的关系。如图8所示，当所述燃料压力变高时，所述湍流变得更活跃地生成。
在该实施例中，当执行超滞后燃烧时，燃料压力由在图7中关于所述负荷变化的特性b来控制。这也就是说，作为一个整体，燃料压力被提供这样一个特征，使得当所述负荷变得较重(较高)时，所述燃料压力变得较高。将在分层燃烧驱动期间的燃料压力a作为参考，一个修正量ΔP(换句话说，在相同的(内燃机)负荷下在超滞后燃烧驱动的燃料压力特性b和普通分层燃烧驱动期间的特性a之间的差)将随着负荷的变大而变大(扩大)。在图7中的特性c表示燃料压力特性，其为在作为参考的普通分层燃烧驱动下的燃料压力特性a上附加一个恒定的修正量的情况。与上述燃料压特性c比较，燃料压要随着所述负荷的变高而被修正以使燃料压力更高。
图9显示当所述负荷为低时缸内压力变化及当所述负荷为高时的缸内压力的变化的比较。如图9所示，当负荷增加时，在压缩行程上死点(TDC)的所述缸内压力随着空气量的增加而变高。在该实施例中，由于如上所述的缸内压力的升高，随着负荷的升高要提供高的燃料压力，如在图7中的特性b所示。升高完成燃料喷雾的力以抵抗所述缸内压力。在高缸内压力下，在火花塞14附近可以有效地形成最佳的空气-燃料混合物。此外，由于喷雾自身的能量产生的湍流可以更活跃地被生成。
除了第一实施例外，在第二实施例中，特别地，所述燃料压力改变部(压力调节器17)配置为可改变地控制供给到燃料喷射阀的燃料压力，通过在压缩行程期间的燃料喷射获得分层稀薄燃烧，并且在超滞后燃烧期间经过燃料压力改变部的燃料压力被修正为比所述分层稀薄燃烧时更高。在第二实施例中，在超滞后燃烧中的燃料压力被设置成随着内燃机负荷变高而增高。在第二实施例中，在相同的负荷下在超滞后燃烧中的燃料压力与分层稀薄燃烧下的燃料压力之间的差(ΔP)随着内燃机负荷的变大而增大。应该注意的是，所述普通分层燃烧意味着所述分层稀薄燃烧(或极稀薄分层燃烧)。
第三实施例根据本发明的用于缸内直接喷射火花点火内燃机的控制装置的一个第三优选实施例将在下面进行描述。图1和图2可应用到该第三实施例中并且该第三实施例的内容基本上与上述的第一实施例相同。因此，仅将对其不同于第一实施例的部分进行描述。
在该实施例中，以与所述第二实施例的情况相同的方式，由压力调节器17组成燃料压力改变部(燃料压力改变装置)。而且，在该实施例中，当执行所述超滞后燃烧时的燃料压力被控制，以当内燃机速度朝向高速度侧改变时使得燃料压力更高。更具体地说，所述燃料压力与所述内燃机的速度的平方成比例地变高。为了在内燃机高速度区域获得稳定燃烧，与所述内燃机速度落在低速区域的情况相比，需要加快所述的燃烧。与在内燃机低速度区域下相比，燃料压力要变得更高，以使得在所述缸内的微小湍流，也就是由于燃料喷雾自身的能量而生成的微小气体流动更活跃并且使得燃烧速度变得更高。因此，即使在高内燃机速度区域，内燃机速度的影响受到抵消并且能够保证稳定的燃烧。
图10显示在燃料压力相对低的情况下(图10中虚线)及在所述燃料压力相对高的情况下(图10中实线)，所述燃烧稳定性关于所述内燃机速度的变化而变化的示例。如图10所示，在高燃料压力的情况下燃烧稳定性在较高的内燃机速度区域变得更有利，并且相反，在低燃料压力的情况下所述燃烧稳定性在较低的内燃机速度区域变得更有利。因此，依照如图10中箭头所示的内燃机速度升高，所述燃料压力被设定为更高。因而，可以避免在高速度区域的燃烧的不稳定性。
此外如上所述，由于在所述超滞后燃烧中压缩行程上死点后燃料喷射(膨胀行程喷射)的喷射正时，排气温度升高，并且由于HC的后燃，减少了HC排放。如图11所示，当所述膨胀行程喷射的喷射正时变得滞后时，有燃烧变得不稳定的趋势。但是，燃料压力低的情况(图11中的虚线)和燃料压力高的情况(图11中的实线)相比，在高燃料压力的气体流动可以被加强。因此，随着所述燃料喷射正时滞后的所述燃烧的不稳定性是较小的。从而，如图11的箭头所示，随着燃料喷射正时的滞后，燃料压力被修正得更高。即使所述喷射正时被设定得更滞后，也可以避免所述燃烧的不稳定性(燃烧不稳定性)。
除了第一实施例外，在第三实施例中，特别地，在超滞后燃烧中的燃料压力被控制得随着所述内燃机速度变高而变高。在第三实施例中，染了压力与内燃机速度的平方成比例地被变高。此外，在第三实施例中，当在点火正时前及压缩行程上死点后的燃料喷射正时被移向更滞后的角度方向时，所述燃料压力被修正得更高。应该注意的是，如所述燃料压力相对较低或相对较高的句子与所述燃料压力高于预定值或等于或低于预定值的句子具有相同的意思。
本申请基于在先的于2007年6月27日在日本提交的日本专利申请第2005-185911号；于2005年5月31日在日本提交的第2005-158511号；及于2005年6月16日在日本提交的第2005-175841号，这些相应的日本专利申请的公开通过参考而被并入于此。
虽然参考本发明的特定实施例对本发明进行了描述，但是本发明不限于上述这些实施例。由于上述的启示，本领域普通技术人员可以对上述实施例作出修改和改进。本发明的范围由所附权利要求书来限定。
权利要求
1.一种用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，包括燃料喷射阀，配置为将燃料直接喷射到内燃机气缸内部；火花塞；及控制单元，所述控制单元被配置为在预定内燃机驱动条件下执行超滞后燃烧，以将点火正时设定在压缩行程上死点后并且在点火正时前及在压缩行程上死点后喷射燃料，并且配置为在内燃机刚启动后及燃料压力相对低的时间间隔中在压缩行程上死点前喷射至少一部分燃料以减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量。
2.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元配置为当执行所述超滞后燃烧并且当所述燃料压力相对高时在压缩行程上死点后喷射所有的燃料量，并且配置为当所述燃料压力相对低时在压缩行程上死点前喷射一部分燃料。
3.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中当执行超滞后燃烧时，所述控制单元配置为将燃料喷射分成两次，第一次燃料喷射在压缩行程上死点前进行而第二次燃料喷射在压缩行程上死点后进行，并且当所述燃料压力相对低时，所述控制单元配置为减少在第二次燃料喷射中的燃料喷射量的比率。
4.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元配置为当在燃料压力变低时，控制所述燃料喷射量以进一步减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量比率。
5.如权利要求4所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元配置为在压缩行程上死点后的燃料喷射的宽度等于或短于预定最小喷射时间段的条件下，将所有的燃料量在压缩行程上死点前喷射。
6.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元配置为根据燃料温度修正在压缩行程上死点后的燃料喷射和压缩行程上死点前的燃料喷射之间的燃料喷射量的比率。
7.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元配置为当燃料压力为相对低时，随着压缩行程上死点后燃料喷射量的减少，修正所述点火正时，使其向着提前角方向移动。
8.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制装置进一步包括燃料压力改变部，其被配置成可变地控制供给到燃料喷射阀的压力，通过在压缩行程中的燃料喷射获得分层稀薄燃烧，并且所述控制单元被配置成在超滞后燃烧中通过该燃料压力改变部修正燃料压力，使其比所述分层稀薄燃烧中的燃料压力高。
9.如权利要求8所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元被配置成随着内燃机负荷的变高而使在超滞后燃烧中的燃料压力更高。
10.如权利要求9所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元被配置成当所述内燃机负荷变得更大时，加大在同样的负荷下所述超滞后燃烧中的燃料压力与分层稀薄燃烧中的燃料压力之间的差。
11.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元被配置成当内燃机速度变得更高时控制在所述超滞后燃烧中燃料压力，以使其变得更高。
12.如权利要求11所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元被配置成与所述内燃机速度的平方成比例地使所述燃料压力更高。
13.如权利要求11所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述控制单元被配置成当在点火正时前及压缩行程上死点后的燃料喷射正时被朝着更滞后角方向移动时，修正所述燃料压力，使其变得更高。
14.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中，当排气温度的温度升高被请求时，即是在所述预定的内燃机驱动条件下，所述控制单元被配置成执行所述超滞后燃烧。
15.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中所述在超滞后燃烧中的点火正时为在压缩行程上死点后的15°曲柄角度到30°曲柄角度的范围内。
16.如权利要求1所述用于缸内直接喷射火花点火的内燃机的控制装置，其中在超滞后燃烧中的空燃比为理论空燃比或者为比所述理论空燃比变化预定的小值的更稀薄的空燃比。
17.一种用于缸内火花点火内燃机的控制方法，所述内燃机包括燃料喷射阀，被配置成将燃料直接喷射到内燃机气缸内；和火花塞；所述控制方法包括在预定内燃机驱动条件下执行超滞后燃烧，以将点火正时设定在压缩行程上死点后并且在所述点火正时前及压缩行程上死点后喷射燃料；及在所述内燃机刚启动后及在燃料压力为相对低的时间间隔内，在压缩行程上死点前喷射至少一部分燃料，以减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量。
全文摘要
一种用于控制火花点火内燃机缸内的装置和方法，所述内燃机具有燃料喷射阀，以将燃料直接喷射到内燃机气缸内；和火花塞，其中，在预定内燃机驱动条件下执行超滞后燃烧，以在压缩行程上死点后设定点火正时并且在所述点火正时前及压缩行程上死点后喷射燃料；及在所述内燃机刚启动后及在燃料压力为相对低的时间间隔内，在压缩行程上死点前喷射至少一部分燃料，以减少在压缩行程上死点后的燃料喷射量。
文档编号F02D41/04GK1880745SQ20061008767
公开日2006年12月20日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者安永真, 武田智之, 中岛彰, 堀込泰三, 高木大介, 内山克昭, 日高匡聪, 石井仁, 茂藤智之, 富田全幸, 赤木三泰 申请人:日产自动车株式会社