内燃机的控制方法以及控制装置

摘要

内燃机的控制方法，通过第1燃料喷射在缸内形成比理论空燃比稀薄的混合气，并在混合气在压缩冲程中发生低温氧化反应的期间内，进行向火花塞的放电通道附近喷射燃料的第2燃料喷射，在第2燃料喷射之后，在火花塞的火花送达至在第2燃料喷射中被喷射出的燃料的定时进行通过火花塞实现的火花点火。

权利要求

1.一种内燃机的控制方法，其特征在于，

通过第1燃料喷射而在缸内形成空燃比为30以上的混合气；

通过压缩所述混合气使其发生低温氧化反应；

在所述混合气在压缩冲程中发生低温氧化反应的期间内，进行第2燃料喷射，该第2燃料喷射是向在火花塞被点火时十分接近以使燃料喷雾点火的火花塞的放电通道附近喷射使得包含通过所述第1燃料喷射形成的混合气在内的所述缸内整体的空燃比与理论空燃比相比稀薄的量的燃料；

在所述第2燃料喷射之后，在所述火花塞的火花送达至在所述第2燃料喷射中被喷射出的燃料的定时，进行通过所述火花塞实现的火花点火。

2.根据权利要求1所述的内燃机的控制方法，其特征在于，所述内燃机具有增压器，

进行通过所述增压器实现的增压，以使得发生所述低温氧化反应。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机的控制方法，其特征在于，所述内燃机具有可变压缩比机构，

通过所述可变压缩比机构使压缩比上升，以使得发生所述低温氧化反应。

4.一种内燃机的控制装置，其具有向缸内供给燃料的燃料喷射阀、对缸内的混合气进行火花点火的火花塞、以及对燃料喷射定时和点火定时进行控制的控制器，所述控制装置的特征在于，所述控制器执行下述动作：

执行用于在缸内形成空燃比为30以上的混合气的第1燃料喷射；

通过压缩所述混合气使其发生低温氧化反应；

在所述混合气在压缩冲程中发生低温氧化反应的期间内，执行第2燃料喷射，该第2燃料喷射是向在所述火花塞被点火时十分接近以使燃料喷雾点火的所述火花塞的放电通道附近喷射使得包含通过所述第1燃料喷射形成的混合气在内的所述缸内整体的空燃比与理论空燃比相比稀薄的量的燃料；

在所述第2燃料喷射之后，执行在所述火花塞的火花送达至在所述第2燃料喷射中被喷射出的燃料的定时进行的通过所述火花塞实现的火花点火。

说明书

内燃机的控制方法以及控制装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种火花点火式内燃机的控制。

背景技术

[0002] 近年来，考虑环境问题等方面，希望车辆的低燃油消耗。为此，人们对于以汽油作为燃料的内燃机(以下，也称为“汽油发动机”)，对在比理论空燃比稀薄的空燃比即空气过剩率λ大于1的状态下运转(以下，也称为“稀薄燃烧”)进行研究。例如，在JP2010-196517A中公开有如下技术，即通过预燃而在气缸(燃烧室)中形成高温场，喷射汽油以使其通过高温场，从而使汽油进行扩散自点火燃烧。根据该技术，即使在汽油发动机中也可以进行与柴油发动机同样的扩散自点火燃烧，因此能够通过进行稀薄燃烧而使燃料效率提高。

发明内容

[0003] 然而，当前人们认为能够在汽油发动机中稳定燃烧的空气过剩率λ在稀薄侧的极限值(以下，也称为“稀薄极限”)是2左右，这点在上述文献的技术中也是如此。

[0004] 因此，本发明的目的在于，在汽油发动机中以比当前被认为是稀薄极限的空气过剩率稀薄的空气过剩率进行稳定燃烧。

[0005] 根据本发明的一个方式，通过第1燃料喷射在缸内形成比理论空燃比稀薄的混合气，并在混合气在压缩冲程中发生低温氧化反应的期间内，进行向火花塞的放电通道附近喷射燃料的第2燃料喷射，在第2燃料喷射之后，在火花塞的火花送达至在第2燃料喷射中被喷射出的燃料的定时进行通过火花塞实现的火花点火。

附图说明

[0006] 图1是使用本实施方式的系统的概略结构图。

[0007] 图2是内燃机的剖视图。

[0008] 图3是执行了本实施方式的情况下的时序图。

[0009] 图4是示出在进行火花点火的定时，燃烧室的情况的图。

[0010] 图5是示出火花点火后的燃烧室的情况的图。

[0011] 图6是示出燃烧稳定度和空燃比的关系的图。

[0012] 图7是示出燃油效率和空燃比的关系的图。

[0013] 图8是示出NOx排出量和空燃比的关系的图。

[0014] 图9是示出HC排出量和空燃比的关系的图。

[0015] 图10是示出CO排出量和空燃比的关系的图。

[0016] 图11是以空气过剩率λ＝1运转的情况下的时序图。

[0017] 图12是进行催化剂暖机运转的情况下的时序图。

[0018] 图13是进行分层稀薄运转的情况下的时序图。

[0019] 图14是用于说明NOx排出量降低的效果的图。

具体实施方式

[0020] 以下，参照附图等对本发明的实施方式进行说明。

[0021] 图1是使用本实施方式的系统的概略结构图。

[0022] 在内燃机1的进气通路2中从进气流动的上游侧按顺序配置有：压差生成阀12、涡轮增压器4的压缩机4A、以及用于调整发动机负荷的节气门阀5。压差生成阀12和节气门阀5是由电动机进行开闭驱动的阀，利用后述的控制器100进行控制。图1示出了蝶阀作为压差生成阀12和节气门阀5，也可以是其它类型的阀。

[0023] 在内燃机1的排气通路3中从排气流动的上游侧按顺序配置有涡轮增压器4的涡轮4B和排气净化催化剂6。排气净化催化剂6例如是三元催化剂。

[0024] 内燃机1具有将排气通路3的比涡轮4B靠上游的部分和靠下游的部分连通的旁通通路7。在旁通通路7上配置有用于开闭旁通通路7的废气门阀8。废气门阀8是由电动机进行开闭驱动的阀，利用后述的控制器100进行控制。当废气门阀8开阀时，排气的一部分绕过涡轮4B而流动。因此，能够通过控制废气门阀8的开度而调整增压压力。即，在增压压力超过大气压而由节气门阀5无法控制进气量的运转区域中，利用废气门阀8控制发动机负荷。

[0025] 另外，图1示出了摆动阀作为废气门阀8，也可以是其它类型的阀。

[0026] 此外，该系统具有用于使排气气体的一部分向进气通路2中再循环的EGR装置。以下将进行再循环的排气气体称为EGR气体。

[0027] EGR装置包含将比排气净化催化剂6靠下游的排气通路3A和比压缩机4A靠上游的进气通路2连通的EGR通路9、用于开闭EGR通路9的EGR阀10、以及对通过EGR通路9的排气气体进行冷却的EGR冷却器11而构成。

[0028] 内燃机1具有用于变更进气门以及排气门的气门正时的可变阀机构13。作为可变阀机构13，可以应用公知的机构，例如，使用对进气凸轮轴相对于曲轴的旋转相位进行变更的机构。

[0029] 控制器100基于未图示的曲轴转角传感器、加速器开度传感器、进气压力传感器、空气流量计等的检测值来设定燃料喷射量、燃料喷射定时、点火定时、EGR率等。并且，基于这些，控制器100进行压差生成阀12、节气门阀5、EGR阀10、以及废气门阀8的开闭控制，或进行使用了可变阀机构13的针对气门正时的控制。

[0030] 另外，控制器100由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。也可以由多个微型计算机构成控制器100。

[0031] 图2是内燃机1的一个气缸的剖视图。

[0032] 进气通路23和排气通路25与燃烧室22连通。在进气通路23的燃烧室侧的开口部处设有进气门24。在排气通路25的燃烧室侧的开口部处设有排气门26。

[0033] 在燃烧室22的顶面，彼此相邻地配置有火花塞20和燃料喷射阀21。燃料喷射阀21是多孔型的，在燃料喷射时如图示那样形成多个喷雾束。多个喷雾束中的至少一个通过火花塞20的放电通道附近。这里所述的“附近”是指，以使得在使火花塞20点火花时将燃料喷雾点火的程度接近的范围。

[0034] 此外，内燃机1具有能够将压缩比控制为可变的可变压缩比机构。作为可变压缩比机构例如能够使用由多个连杆将曲轴和活塞连结，对活塞的上止点位置进行变更的机构。另外，也能够使用将气缸头的位置控制为可变的机构等其它公知的机构。

[0035] 如上述那样构成的内燃机1能够在规定的运转区域(例如低负荷区域)中，在利用涡轮增压器4增压的同时进行稀薄燃烧的所谓增压稀燃运转。

[0036] 下面，对增压稀燃运转中的燃料喷射控制以及点火控制进行说明。

[0037] 图3是示出增压稀燃运转中的燃料喷射定时、点火定时、以及燃烧室内的发热量的时序图。发热量在进气冲程结束时刻设为0。

[0038] 控制器100通过在进气冲程期间的定时T1进行第1燃料喷射，从而在燃烧室内形成均质混合气。在这里，为了在空气过剩率λ大于或等于2时产生要求负荷，利用涡轮增压器4进行增压，以使得混合气的空燃比(A/F)为30左右。此时，控制器100将可变压缩比机构控制在高压缩比侧。

[0039] 要具备上述那样的高增压、高压缩比以及高空气过剩率的条件的原因在于，为了在压缩冲程中发生均质混合气的低温氧化反应。低温氧化反应中温度越高越能够活性化。因此，通过设为高压缩比，能够制造出在压缩冲程期间温度易于上升的状态。此外，低温氧化反应中，混合气的密度越高越能够活性化。因此，通过利用涡轮增压器4向燃烧室内供给大量的空气，从而提高缸内压力，提高混合气的密度。

[0040] 如果在满足上述条件的状态下进入压缩冲程，则燃烧室内的混合气被活塞压缩而成为高温且高密度，发生低温氧化反应。

[0041] 另外，由于上述各条件的具体值根据内燃机1的规格而不同，因此要与内燃机的情况相符合而确定。

[0042] 如果在压缩冲程期间产生由低温氧化反应引起的发热，则控制器100在产生发热的期间内的定时T2进行第2燃料喷射，与第1燃料喷射相比，该第2燃料喷射喷射少量的燃料。

[0043] 另外，在第1燃料喷射中，喷射在1个循环中要喷射的燃料量的90％左右，在第2燃料喷射中，喷射剩余的10％左右。此外，优选燃料喷射压力更高。这是由于，燃料喷射压力越高，燃料喷雾越能够微粒化而变得易于燃烧，其结果，能够抑制排气成分的恶化。

[0044] 进行第2燃料喷射的定时通过对产生由低温氧化反应引起的发热的定时进行模拟等而求得，并基于此而设定。另外，也可以监视燃烧室内的温度变化，当检测到由低温氧化反应引起的发热时，开始第2燃料喷射。

[0045] 而且，在进行第2燃料喷射后，在第2燃料喷射中被喷射出的燃料喷雾完全通过火花塞20的放电通道之前的定时T3，控制器100执行通过火花塞20进行的火花点火。换言之，定时T3是火花塞塞的火花送达至在第2燃料喷射中被喷射出的燃料的定时。

[0046] 在进行上述燃料喷射以及火花点火的情况下的发热量如图3所示。到压缩冲程的中间阶段为止发热量逐渐增大是由于混合气被活塞压缩。这种发热在不利用低温氧化反应的通常的内燃机中也会产生。在定时T2的紧前处发热量急剧增加是因为低温氧化反应开始。在定时T3以后发热量进一步增加是因为由火花点火引起的燃烧开始。如上所述，在利用低温氧化反应的本实施方式的控制中，发热量以两个阶段增加。

[0047] 通过上述的控制，即使空气过剩率λ大于或等于2，也能够进行稳定的燃烧。其机理如下所述地推定。

[0048] 图4、图5均是从上方观察燃烧室22的示意图。图4示出进行火花点火的状态。图5示出火花点火后的状态。图5的圆形记号表示发生自点火。

[0049] 如上所述，在进行第2燃料喷射的定时发生低温氧化反应。低温氧化反应是在600【K】－800【K】的温度范围内发生的汽油中的燃料分子的氧化反应，主要在燃烧室22的中央部附近(图4的虚线内)发生。即，利用低温氧化反应，在比理论空燃比稀薄的均质混合气(以下也称为“均质稀薄混合气”)中生成自由基。而且，通过向存在自由基的燃烧室22进行第2燃料喷射，促进了汽油的自点火。

[0050] 此外，在进行第2燃料喷射时，在燃烧室22中发生气体的紊乱，因此促进了火花点火后的火焰传播。另外，在图5中，为了简单起见，喷雾束是没有发生气体的紊乱的状态。

[0051] 根据本实施方式，如上所述，在发生自点火的同时，通过火花点火而产生的火焰进行传播。因此，即使是当前被称为是稀薄极限的、空气过剩率λ大于或等于2的这种稀薄空燃比，也能够实现稳定的燃烧。

[0052] 另外，基于上述推定，能想到低温氧化反应的反应时间越长，自由基生成量越多，燃烧稳定度越高。即，能够想到本实施方式的控制在内燃机1的低转速区域更有效。

[0053] 在上述说明中，进行增压以使得空燃比为30左右，但如下所示，即使是进一步稀薄的空燃比，也可以实现稳定的燃烧。

[0054] 图6是示出燃烧稳定度和空燃比的关系的图。图中的实线示出不利用低温氧化反应的现有的控制涉及的燃烧稳定度。图中的虚线示出本实施方式涉及的燃烧稳定度。

[0055] 在现有的控制中，考虑燃烧稳定极限方面，空燃比(A/F)＝30左右是所谓的稀薄极限。但是，如图示所述，根据本实施方式，能够保持燃烧稳定度直至空燃比(A/F)为70左右。

[0056] 图7是示出燃油效率和空燃比的关系的图。图中的实线示出不利用低温氧化反应的现有的控制涉及的燃油效率。图中的虚线示出本实施方式涉及的燃油效率。另外，这里所述的燃油效率是图示的燃料消耗率(ISFC)。

[0057] 在现有的控制中，当空燃比(A/F)超过30时，则图示的燃料消耗量由于燃烧稳定度降低而增加。但是根据本实施方式，如上所述，即使空燃比(A/F)超过30，也能保持燃烧稳定度，因此能够通过使空燃比稀薄而抑制图示的燃烧消耗量。

[0058] 另外，根据本实施方式，不仅能够如上所述提高燃油效率，还能够如以下所述地抑制排气成分的恶化。

[0059] 图8是示出NOx排出量和空燃比的关系的图。

[0060] 在稀薄燃烧的情况下，与以理论空燃比燃烧的情况不同，无法利用三元催化剂净化NOx，因此需要降低自内燃机1排出的NOx的量(NOx排出量)。NOx是燃烧室内的氮被氧化而产生的，并且缸内温度越高越促进该氧化反应。此外，如本实施方式所述，在利用第2燃料喷射而在火花塞周围形成混合气的结构中，喷射出的燃料几乎不扩散地进行燃烧。因此，如果空燃比相同，则与在燃烧室内形成均质的稀薄混合气的结构相比，NOx排出量增加。但是，如本实施方式所述，在利用第2燃料喷射而在火花塞周围形成混合气的结构中，能够使燃烧室整体的空燃比更稀薄，如果空燃比变稀薄，则如图示所述，NOx排出量减少。因此，如果在确保燃烧稳定度的同时使燃烧室整体的空燃比稀薄化，则能够抑制NOx排出量的增加。

[0061] 图9是示出HC排出量和空燃比的关系的图。HC由未燃烧的燃料和因燃烧产生的中间产物构成，其中大部分在燃烧室壁面内的边界层内产生。根据现有公知的控制，如果空燃比浓厚，则这些燃料不与氧结合，因此HC排出量增加，即使在空燃比稀薄成一定程度以上的情况下，由于燃烧温度降低、燃烧缓慢化而在壁面附近产生火焰熄灭，从而HC排出量增加。根据本实施方式，即使是稀薄空燃比也能够利用燃料喷射而使燃烧活性化，因此如图9所示，与现有公知的控制相比能够抑制HC排出量。

[0062] 图10是示出CO产生量和空燃比的关系的图。

[0063] 排气中的CO是碳(C)由于氧不足而发生不完全燃烧产生的。已知在稀薄燃烧的情况下，存在有相对于汽油而言足够的氧，因此排出量减少。但是，在空燃比(A/F)超过30的区域中，如图10所示，排出量逐渐地增加。这是由于空燃比越稀薄化，燃烧温度越下降，CO氧化成CO2的反应速度下降，停留在CO的比例提高。

[0064] 当综合考虑上述的燃烧稳定度、燃油效率、以及排气成分时，本实施方式的增压稀薄燃烧将空燃比(A/F)为45左右、即空气过剩率λ＝3左右设为上限。

[0065] 下面将对公知的多阶段喷射与本实施方式的不同进行说明。

[0066] 图11是针对在空气过剩率λ＝1的情况下的燃料喷射定时、点火定时以及燃烧室内的发热量，与图3同样地表示的时序图。

[0067] 在进气冲程期间的定时T21，进行用于在燃烧室内形成均质混合气的燃料喷射。在这里，在空气过剩率λ＝1的条件下产生要求负荷，因此供给至燃烧室22的空气量在将燃料喷射量设为1时为14.7左右。因此，压缩冲程期间的燃烧室内不会成为如本实施方式那样的高温且高密度，因此不会发生低温氧化反应。

[0068] 由于不发生低温氧化反应，因此即使在压缩冲程期间的定时T22进行第二次燃料喷射，在之后的定时T23进行火花点火，发热量的履历也与本实施方式完全不同。即使假设定时T22在定时T23紧前处，也不会产生由低温氧化反应引起的发热，因此如本实施方式所述，不会同时发生自点火和火焰传播。

[0069] 图12是针对在使点火定时延迟到压缩上止点以后，在即将点火之前向火花塞周围喷射少量的燃料的情况下的燃料喷射定时、点火定时、以及燃烧室内的发热量，与图3同样地表示的时序图。进行上述控制是为了在冷起动时等促进排气催化剂的升温。

[0070] 在进气冲程期间的定时T31，进行用于在燃烧室内形成均质混合气的燃料喷射。与图11的情况同样地，供给至燃烧室22的空气量在将燃料喷射量设为1时为14.7左右，因此不会发生低温氧化反应。

[0071] 因此，即使进行第二次燃料喷射的定时T32在点火定时T33紧前处，也不会如本实施方式那样，同时发生自点火和火焰传播。

[0072] 此外，图12中所示的控制仅在冷起动后的怠速期间执行，因此在该控制中不进行增压。即，假设即使想要使由第一次燃料喷射形成的混合气的空燃比比理论空燃比稀薄，也不能供给如本实施方式那样的大量的空气。因此，在图12所示的控制中，不会产生由低温氧化反应引起的发热。

[0073] 图13是针对进行所谓分层稀薄燃烧的情况下的燃料喷射定时、点火定时、以及燃烧室内的发热量，与图3同样地表示的时序图。

[0074] 分层稀薄燃烧是下述燃烧方式，即利用进气冲程期间(定时T41)的燃料喷射而形成均质的混合气，利用压缩冲程期间(定时T42、T43)的燃料喷射而在火花塞周围形成分层混合气，作为燃烧室整体以与理论空燃比相比稀薄的空燃比进行。利用火花塞20进行的火花点火在第三次燃料喷射定时T43的紧后处(定时T44)进行。另外，在分层稀薄燃烧中，用分层程度控制负荷。此外，分层稀薄燃烧在低负荷区域进行，基本上是非增压状态。

[0075] 在分层稀薄燃烧中，在略微稀薄(空气过剩率λ＝1.2～1.3左右)的条件下产生要求负荷，因此供给至燃烧室22的空气量在将第一次燃料喷射量设为1时为20左右。即，与本实施方式相比，燃烧室内的空气量较少。

[0076] 如上所述，在分层稀薄燃烧中，燃烧室内的空气量较少，并且也不进行增压，因此不会发生低温氧化反应。因此，在图13中所示的分层稀薄燃烧在燃烧室内形成均质的稀薄混合气，在压缩上止点附近向火花塞周围喷射燃料，之后立刻进行火花点火，但在不利用低温氧化反应的方面与本实施方式的燃烧方式完全不同。

[0077] 如上所述，本实施方式涉及的燃烧方式与现有公知的燃烧方式不同。而且，根据本实施方式，能够用比当前已知的燃烧方式中被认为是稀薄极限的空燃比更稀薄的空燃比稳定地运转。

[0078] 图14是用于对利用本实施方式抑制排气成分的恶化进行说明的图。纵轴是当量比，横轴是燃烧期间的缸内气体温度。此外，图中绘制了阴影的区域分别表示产生PM(颗粒物)的区域和产生NOx的区域。图中由虚线围成的区域表示执行本实施方式的情况下的区域。

[0079] 如图示所述，PM在中高温并且当量比大于2的区域中产生，NOx在高温并且当量比在0～2.5左右的区域中产生。在上述现有公知的燃烧方式中，进入图中的NOx产生区域。这是由于如果当量比是1，燃烧温度自然升高，即使当量比小于1，也会通过燃烧混合气燃烧而使温度上升。与此相对，在本实施方式中，由于如上所述利用增压向燃烧室内供给大量的空气，因此燃烧室内的气体的热容量增大，燃烧混合气的情况下的温度上升被抑制。其结果，执行本实施方式的情况下的区域成为图中由虚线包围的区域。即，根据本实施方式，不仅能够以比现有被认为是稀薄极限的当量比稀薄的当量比实现稳定的燃烧，还能够抑制PM以及NOx的排出量。

[0080] 另外，上述的说明中，使用了仅具有一个将燃料直接喷射到缸内的燃料喷射阀21的结构，但并不限于此。例如，也可以是还具有将燃料喷射到进气通路23的端口喷射阀，通过端口喷射阀进行第1燃料喷射的结构。

[0081] 此外，只要喷雾束的至少一部分通过火花塞20的放电通道附近，也可以是燃料喷射阀21配置在燃烧室22的侧壁上的结构。

[0082] 此外，可以基本上进行上述的增压稀燃运转，也可以在例如像增压稀燃运转和均质化学计量运转的切换时那样的过渡运转时执行本实施方式。

[0083] 此外，在上述说明中，使用了具有涡轮增压器4的结构作为增压器，但本发明不限于此。也可以使用例如机械式增压器或电动式增压器。如果是电动式，则能够在比涡轮增压器4更宽的运转区域中得到期望的增压压力，因此能够在更宽的运转区域中执行本实施方式。

[0084] 此外，为了进一步促进低温氧化反应，也可以是供给臭氧等的结构。但是，在这种情况下，除了燃料喷射阀21以外，还需要用于供给臭氧等的装置。

[0085] 如以上说明所述，在本实施方式中，通过第1燃料喷射而在缸内形成比理论空燃比稀薄的均质混合气，并在均质混合气在压缩冲程中发生低温氧化反应的期间内，进行将少于第1燃料喷射的燃料向火花塞20的放电通道附近喷射的第2燃料喷射。而且，在第2燃料喷射之后，在将火花塞20的火花送达至第2燃料喷射中被喷射出的燃料的定时进行火花点火。由此，即使是比当前被认为是稀薄极限的空燃比更稀薄的空燃比，也能够实现稳定的燃烧。
此外，还能够抑制排气成分的恶化。另外，第2燃料喷射的喷射量比第1燃料喷射的喷射量少是因为，只要能够确保将火花塞的火花送达至第2燃料喷射中被喷射的燃料而利用火花点火进行的燃烧能够开始的燃料量即可，因此，相对而言比第1燃料喷射的喷射量少。因此，第
2燃料喷射的喷射量小于第1燃料喷射的喷射量不是必要条件。

[0086] 此外，在本实施方式中，通过使用增压器而供给大量的空气，从而满足发生低温氧化反应的条件。

[0087] 此外，在本实施方式中，通过将可变压缩比机构控制在高压缩比侧，从而满足发生低温氧化反应的条件。

[0088] 以上针对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅示出了本发明的应用例的一部分，不能将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。