專利名稱：壓燃式發(fā)動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓燃式發(fā)動機。
在壓燃式發(fā)動機中，噴射入燃燒室內(nèi)的燃料的擴散程度對燃燒具有很大的影響。也就是說，如果燃料在整個燃燒室內(nèi)擴散，則單位容積內(nèi)產(chǎn)生的熱量就變得較低，這樣燃燒溫度就會變得較低，進而可以得到?jīng)]有NOx產(chǎn)生的平穩(wěn)燃燒。而且，由于圍繞燃料顆粒有足夠的空氣，因而也不會再產(chǎn)生黑煙。所以，現(xiàn)有技術中已知的壓燃式發(fā)動機被設計成在壓縮沖程的上死點之前60度之前進行燃料噴射(參見日本未審查專利公開(kokai)No.7-317588)。
也就是說，如果燃燒室內(nèi)的壓力變得很高，空氣阻力就會很大，這樣所噴射的燃料遍布整個燃燒室就有困難。因此，將這種壓燃式發(fā)動機設計成在壓縮沖程的上死點之前60度之前噴射燃料，此時燃燒室內(nèi)的壓力還較低。
當以此方式使噴射的燃料在整個燃燒室內(nèi)擴散時，如果燃料的噴射量較小，則可以得到?jīng)]有NOx或碳氫化合物產(chǎn)生的平穩(wěn)燃燒。然而當燃料的噴射量增大時，即使力圖使噴射的燃料在整個燃燒室內(nèi)擴散，燃料也會過早點燃。一旦燃料過早點燃，燃燒室內(nèi)的溫度就會上升，這樣燃料的點燃就會更早。其結果是，燃燒會逐漸變得更強烈，且不僅會出現(xiàn)爆震，而且還會產(chǎn)生大量的NOx和黑煙。
所以，在上述的壓燃式發(fā)動機中，當燃料的噴射量較大時，不再能將點燃定時控制到實現(xiàn)平穩(wěn)燃燒的點燃定時。如果在此情形下，有可能將點燃定時控制到實現(xiàn)平穩(wěn)燃燒的點燃定時，那么就有可能實現(xiàn)平穩(wěn)燃燒，而且其中所產(chǎn)生的NOx和黑煙也將很少。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠?qū)Ⅻc燃定時控制到一實現(xiàn)平穩(wěn)燃燒的點燃定時的壓燃式發(fā)動機。
根據(jù)本發(fā)明，所提供的一種壓燃式發(fā)動機包括一燃燒室；一向燃燒室的內(nèi)部噴射燃料的燃料噴射器，發(fā)動機的工作區(qū)被分為一低載荷的第一工作區(qū)和一高載荷的第二工作區(qū)；噴射控制裝置，當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第一工作區(qū)時，該裝置在壓縮沖程的上死點之前50度之前至少進行一次燃料噴射，使所噴射的燃料燃燒，當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)內(nèi)時，該噴射控制裝置使得所進行的第一次燃料噴射的噴射量，即使噴射了，也不會出現(xiàn)燃燒，在壓縮沖程的后半個沖程的一預定的噴射定時區(qū)內(nèi)，即使進行了燃料噴射，燃燒也不會出現(xiàn)，并且該裝置在晚于所述預定的噴射定時區(qū)的一噴射定時進行第二次燃料噴射，使得第一次噴射的燃料和第二次噴射的燃料燃燒。從下面的參照附圖對本發(fā)明的最佳實施例的描述中，可以更清楚地理解本發(fā)明，附圖包括

圖1是一壓燃式發(fā)動機的全圖；圖2是一空燃比傳感器的輸出特性圖；圖3A和3B及圖4A和4B是分別是不同的噴射定時區(qū)的視圖；圖5是燃燒室內(nèi)的壓力變化圖；圖6是一發(fā)動機的壓縮比的變化范圍圖；圖7是一發(fā)動機的工作區(qū)域圖；圖8A和8B分別是噴射定時圖；圖9A至9C示出了燃料噴射總量Q等的變化；圖10是噴射控制的流程圖；圖11示出了噴射定時等量；圖12示出了一EGR控制閥的基本開度Gθ2的變化；圖13A和13B示出了目標空氣過量比率等；和圖14是噴射控制的流程圖。
如圖1所示，標號1代表一發(fā)動機體，2代表一氣缸體，3是氣缸蓋，4代表一活塞，5是一燃燒室，6代表一電控燃料噴射器，7是一進氣門，8是一進氣口，9是一排氣門，10代表一排氣口。進氣口8通過一相應的進氣管11與一均壓箱(surge tank)12相連。該均壓箱12通過一進氣導管13與一排氣渦輪增加器14的壓縮機15相連。另一方面，排氣口10通過一排氣總管16和一排氣管17被連接到一渦輪增加器14的排氣渦輪機18上。排氣渦輪機18的出口與一催化轉(zhuǎn)換器20相連，該催化轉(zhuǎn)換器20內(nèi)有一三向催化器19。而且，在排氣總管16上還設置有一空燃比傳感器21。
排氣總管16和均壓箱12通過一排氣再循環(huán)(以下簡稱“EGR”)管路22相互連接起來。在EGR管路22上設置有一電控EGR控制閥23。燃料噴射器6通過燃料供給管路24與一燃料儲存管，也就是所謂的公共管路25，相連。公共管路25內(nèi)具有來自一電控調(diào)節(jié)的燃料排出泵26的燃料。公共管路25內(nèi)的燃料通過燃料供給管路24被提供到燃料噴射器6。公共管路25上具有一燃料壓力傳感器27，用于監(jiān)測公共管路25內(nèi)的燃料壓力的變化。燃料壓力傳感器27的輸出信號用來控制燃料泵26的排出，以便使公共管路25內(nèi)的燃料壓力成為目標燃料壓力。
一電子控制單元30包括一數(shù)字計算機，并具有通過一雙向匯流母線31相互連接起來的只讀存儲器(ROM)32，隨機存取存儲器(RAM)33，微信息處理機(CPU)34，輸入口35和輸出口36?？杖急葌鞲衅?1的輸出信號通過一相應的AD轉(zhuǎn)換器37輸入到輸入口35。而且，燃料壓力傳感器27的輸出信號通過一相應的AD轉(zhuǎn)換器37輸入到輸入口35。一加速器踏板40與一載荷傳感器41相連，該載荷傳感器41用于產(chǎn)生一與加速器踏板40的下降量L成正比的輸出電壓。載荷傳感器41的輸出電壓通過一相應的AD轉(zhuǎn)換器37輸入到輸入口35。而且，輸入口35與一曲柄角傳感器42相連，該曲柄角傳感器產(chǎn)生一輸出脈沖，曲柄軸旋轉(zhuǎn)例如30度產(chǎn)生一脈沖。另一方面，輸出口36通過一相應的驅(qū)動電路38分別與燃料噴射器6，EGR控制閥23，和燃料泵26相連。
圖2示出了空燃比傳感器21的輸出電流I。如圖2所示，空燃比傳感器21產(chǎn)生一與空氣過量比率λ相適應的輸出電流I，即空氣燃料比率，因此，可以從空燃比傳感器21的輸出電流I中找到空氣燃料比率。輸出電流I被轉(zhuǎn)換成電壓并被輸入到相應的AD轉(zhuǎn)換器37。
在圖1所示的實施例中，為了使噴射的燃料盡可能均勻地在燃燒室5內(nèi)擴散，燃料噴射器6具有一噴嘴，該噴嘴具有很多噴嘴開口。當使用這樣一個燃料噴射器6使所噴射的燃料在燃燒室5內(nèi)擴散時，起決定作用的因素是噴射量和噴射定時，可能出現(xiàn)的情況是所噴射的燃料燃燒和所噴射的燃料不燃燒。因此，首先參照圖3A和3B及4A和4B來說明這個問題。
在圖3A和3B及4A和4B中，縱坐標表示曲柄角，而橫坐標表示發(fā)動機速度N。圖3A示出了燃料噴射量為最大噴射量的5％的情況，圖3B示出了燃料噴射量為最大噴射量的10％的情況，圖4A示出了燃料噴射量為最大噴射量的20％的情況，圖4B示出了燃料噴射量多于最大噴射量的30％的情況。
而且，在圖3A和3B及4A和4B中，Ⅰ代表一噴射定時區(qū)域，當燃料以一在此區(qū)域內(nèi)的噴射定時進行噴射時，出現(xiàn)如已往的發(fā)動機一樣的常規(guī)燃燒，Ⅱ示出了一噴射定時區(qū)域，當燃料以一在此區(qū)域內(nèi)的噴射定時進行噴射時，不出現(xiàn)燃燒，Ⅲ也示出了一噴射定時區(qū)域，當燃料以一在此區(qū)域內(nèi)的噴射定時進行噴射時，幾乎沒有NOx或黑煙產(chǎn)生。
所噴射的燃料是否燃燒取決于燃料顆粒的密度和溫度。簡言之，當燃料顆粒的密度相對較低時，如果燃料顆粒的溫度較高則出現(xiàn)燃燒，如果燃料顆粒的溫度較低則不出現(xiàn)燃燒。與此相對，當燃料顆粒的密度較高時，則無論燃料顆粒的溫度如何都會出現(xiàn)燃燒。
因而，如果燃料顆粒的密度較高，則無論燃料顆粒的溫度如何，都會出現(xiàn)燃燒，但此時的燃燒是爆炸性的，并產(chǎn)生大量的NOx和黑煙。也就是說，當燃燒室5內(nèi)的溫度大于700°K時，所噴射的燃料經(jīng)歷了一化學反應。在大約上止點之前30度，燃燒室5內(nèi)的溫度小于700°K，因此如果燃料在上止點之前30度噴射，所噴射的燃料在燃燒室5內(nèi)擴散，而不會經(jīng)歷一化學反應。接下來，當活塞4上升且燃燒室5內(nèi)的溫度高于某一溫度時，汽化了的燃料圍繞燃料顆粒與氧粘結在一起。更詳細地說，碳氫化合物的直鏈末端的碳被氧原子團所破壞，導致在碳氫化合物直鏈的末端形成醛基，而后醛基變成氫氧基。如果此時燃料顆粒相互靠近，即當燃料顆粒的密度較高時，燃料顆粒從圍繞燃料顆粒的汽化燃料的氧化中吸收熱量，溫度變得很高。其結果是，燃料顆粒中的碳氫化合物被分解成氫分子H2和碳C。由此熱分解作用中產(chǎn)生的氫分子H2能夠極為猛烈地燃燒，并產(chǎn)生很高的溫度，進而產(chǎn)生NOx。另一方面，當由此熱分解作用產(chǎn)生元素碳C時，碳原子相互結合在一起，部分以黑煙的形式被排出。因此，當燃料顆粒的密度較高時，即使燃料顆粒在燃燒室5內(nèi)擴散而沒有經(jīng)過一化學反應，由于燃料顆粒中的碳氫化合物的熱分解作用也會產(chǎn)生NOx和黑煙。
另外，如果燃料在大約上止點前30度之后噴射，所噴射的燃料立即進行化學反應，而且燃料顆粒中的碳氫化合物被熱所分解。結果是，產(chǎn)生NOx和黑煙。也就是，當燃料顆粒的密度很高時，換言之，當燃料噴射量很大時，無論何時噴射，都會產(chǎn)生NOx和黑煙。
與此相反，當燃料顆粒的密度較低時，情形就完全不同了。下面將針對燃料顆粒的密度較低時的燃燒情況作以說明，也就是，當燃料的噴射量小于最大噴射量的30％，并且燃料顆粒被擴散開時，即燃料的噴射在圖3A、3B、4A和4B所示的噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行的情形。
圖5所示的曲線示出了僅由活塞4的壓縮作用產(chǎn)生的燃燒室5內(nèi)的壓力P的變化。從圖5中可以看出，當超過大約上止點前60度時，燃燒室5內(nèi)的壓力P快速上升。這與進氣門7的開度定時無關。所有的往復式內(nèi)燃機的燃燒室5內(nèi)的壓力P的變化都與圖5所示的相同。如果燃燒室5內(nèi)的壓力P變得很高，空氣阻力會變得相當大，這樣所噴射的燃料就不會擴散到較寬的范圍。為了使所噴射的燃料能夠在一較寬的范圍內(nèi)擴散，就必須在燃燒室5內(nèi)的壓力P較低時進行燃料的噴射。
如圖3A,3B,4A和4B所示，噴射定時區(qū)域Ⅲ大約在上止點前50度。因而，如果在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)噴射燃料，燃料顆粒就能擴散到較寬的范圍。而且，由于燃料的噴射量小于最大噴射量的30％，燃燒室內(nèi)的燃料顆粒的密度會變得相當?shù)汀?br> 以此方式，如果燃料顆粒的密度較低，燃料顆粒之間的空間就會更大一些。因此，當圍繞燃料顆粒的汽化了的燃料與氧粘結在一起時，燃料顆粒不會接受圍繞燃料顆粒的汽化了的燃料的氧化作用所放出的大量熱量，因而燃料顆粒不會在熱的作用下分解。其結果是幾乎沒有氫分子H2或碳C產(chǎn)生。接下來，當壓縮沖程繼續(xù)而燃料顆粒的溫度變得更高時，燃料顆粒中的汽化的燃料基本上同時開始燃燒。
如果在此情形下燃料顆粒中的汽化了的燃料基本上同時開始燃燒，就不會有局部的高溫。而且，由于燃料顆粒的擴散，單位容積產(chǎn)生的熱量下降了。所以，整個的燃燒溫度下降，進而可以得到?jīng)]有NOx產(chǎn)生的平穩(wěn)的燃燒。還有，由于圍繞燃料顆粒有足夠的空氣，也不會再產(chǎn)生黑煙。
如上所述，圖3A,3B和4A分別示出了燃料的噴射量為最大噴射量的5％,10％和20％的情形。如果此時燃料在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行噴射，則可以得到?jīng)]有NOx或黑煙產(chǎn)生的平穩(wěn)燃燒。圖4B示出了燃料的噴射量大于最大噴射量的30％的情形。如果燃料在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行噴射，則直到燃料噴射量大約為最大噴射量的50％都可以得到?jīng)]有NOx和黑煙產(chǎn)生的平穩(wěn)燃燒。當燃料噴射量超過大約最大噴射量的50％，則即使燃料顆粒被擴散開，燃料顆粒的密度也會很高，因而會產(chǎn)生NOx和黑煙。
所以，當燃料的噴射量小于大約最大噴射量的50％時，如果在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行燃料噴射則可以得到?jīng)]有NOx和黑煙產(chǎn)生的平穩(wěn)燃燒。
如圖3A,3B,4A和4B所示，噴射定時區(qū)域Ⅲ的最晚的噴射定時，即圖3A,3B和4A中的噴射定時區(qū)域Ⅲ和噴射定時區(qū)域Ⅱ之間的界線Y，圖4B中的噴射定時段Ⅲ和噴射定時段Ⅰ之間的界線XY，大體是相同的，與噴射量無關。也就是，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速N為600rpm時，界線Y和XY接近上止點前50度。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速N越高，它們就越移向壓縮沖程的下死點。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速N為4000rpm時，它們變成為大約上止點前90度。也就是，所噴射的燃料的擴散需要時間，因此，為了使所噴射的燃料擴散，即使燃料顆粒的密度降低，必須使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速N越高，則噴射定時越早。而且，發(fā)動機轉(zhuǎn)速N越高，加熱燃料顆粒所需的時間越短，因此為了給予燃料顆粒使其點燃所需的足夠的熱量，也必須使發(fā)動機轉(zhuǎn)速N越高噴射定時越早。所以，如圖3A,3B,4A和4B所示，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的升高，界線X和XY朝向壓縮沖程的下死點移動。
值得注意的是，在實際中，不會出現(xiàn)完全如圖3A,3B,4A和4B所示的界線X和XY，所以說界線X和XY表示的是噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)的最晚噴射定時的近似值。
下面將對噴射定時區(qū)域Ⅱ進行說明。如上文所述，如果在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行噴射的燃料量小于最大噴射量的30％，則不會出現(xiàn)燃燒。
也就是，如上所述，在大約上止點前30度之前，燃燒室5內(nèi)的溫度小于700°K，因此如果在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行燃料噴射，則不會出現(xiàn)化學反應。而且，由于在噴射定時區(qū)域Ⅱ的燃燒室5內(nèi)的壓力P要高于噴射定時區(qū)域Ⅲ的燃燒室5內(nèi)的壓力P，因此燃料顆粒的擴散程度也小于噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)的擴散程度。由于燃料的噴射量小于最大噴射量的30％，即使燃料顆粒的擴散程度降低了一些，燃料顆粒的密度也相對較小。如果以此方式燃料顆粒的密度較低，則燃料顆粒之間的空間變得較大，因而，如上所述，燃料顆粒不會接受圍繞燃料顆粒的汽化了的燃料的氧化作用所放出的大量熱量，進而不會在熱量的作用下而分解。所以不會出現(xiàn)爆炸性燃燒。
另外，前面已提到，如果燃料顆粒中的汽化了的燃料經(jīng)歷了一氧化反應，則會在碳氫化合物的直鏈的末端產(chǎn)生氫氧基。隨著活塞4的繼續(xù)升高，帶有氫氧基的碳氫化合物的直鏈的量，即含有氫氧基的易燃的碳氫化合物的量增加。然而，在噴射定時上，噴射定時區(qū)域Ⅱ要晚于噴射定時區(qū)域Ⅲ，因此在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)所噴射的燃料顆粒的溫度不會升高到點燃的范圍。所以，即使含有氫氧基的易燃的碳氫化合物的量增加，也不會開始燃燒。
接下來，在此狀態(tài)下，達到壓縮沖程的上死點，即在含有氫氧基的易燃的碳氫化合物的量增加而沒有燃燒的狀態(tài)下。如果而后不采取任何措施，則燃料將不會被點燃，導致發(fā)動機不著火。
如圖3A,3B,4A和4B所示，在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)的最晚的噴射定時，即噴射定時區(qū)域Ⅱ和噴射定時區(qū)域Ⅰ之間的界線X基本上與界線Y相平行。也就是，噴射定時區(qū)域Ⅱ的寬度，換言之，界線X和界線Y之間的寬度基本上保持不變，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速N無關。而且，如圖3A，3B和4A所示，噴射量與最大噴射量之間的比率越大，則界線X和界線Y之間的寬度越小。如圖4B所示，當噴射量大于最大噴射量的30％時，就不存在噴射定時區(qū)域Ⅱ了。
當噴射量為最大噴射量的5％時，如圖3A所示，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速N為600rpm時，界線X大約為上止點前20度，并且界線X和界線Y之間的寬度從大約30度曲柄角增加到大約40度曲柄角。當噴射量為最大噴射量的10％時，如圖3B所示，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速N為600rpm時，界線X大約為上止點前30度，并且界線X和界線Y之間的寬度從大約20度曲柄角增加到大約30度曲柄角。當噴射量為最大噴射量的20％時，如圖4A所示，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速N為600rpm時，界線X大約為上止點前40度，并且界線X和界線Y之間的寬度從大約10度曲柄角增加到大約15度曲柄角。當噴射量超過最大噴射量的30％時，如圖4B所示，噴射定時區(qū)域Ⅱ不存在了。
如果燃料的噴射量增加，則燃料顆粒的密度變得更大，所以當燃料噴射量增加時，燃料顆粒的擴散程度必須增大，否則就會出現(xiàn)燃燒。噴射定時越早，則燃料顆粒的擴散程度則越高，所以噴射量越大，則噴射定時區(qū)域Ⅱ的寬度越小。
而且，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的增高，噴射定時區(qū)域Ⅱ朝向低載荷端移動，即如上所述，所噴射的燃料的擴散需要時間。如果隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的增高，噴射定時沒有提前，燃料顆粒的擴散程度將不會變小。所以隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的增高，噴射定時區(qū)域Ⅱ朝向低載荷端移動。注意到界線X比界線Y和XY更清楚地表示出了上述傾向。
另外，如果在噴射定時區(qū)域Ⅰ內(nèi)進行燃料噴射，如已往的發(fā)動機一樣會出現(xiàn)常規(guī)的燃燒，即在噴射定時區(qū)域Ⅰ內(nèi)，由于燃燒室5內(nèi)的壓力P(圖5)較高，所以所噴射的燃料不能充分擴散，燃料顆粒的密度變得很高。其結果是，燃料顆粒在熱量的作用下分解產(chǎn)生爆炸性燃燒，進而產(chǎn)生大量的NOx和黑煙。
如上所述，當燃料的噴射量小于最大噴射量的30％，在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行燃料噴射時，將不會出現(xiàn)燃燒。與此相反，當燃料的噴射量大于最大噴射量的30％時，則不論在哪個噴射定時區(qū)域進行燃料噴射，都會出現(xiàn)燃料的燃燒。在此情況下，如圖4B所示，僅有噴射定時區(qū)域Ⅰ和Ⅲ。
如果以此方式使所噴射的燃料擴散，當燃料的噴射量小于最大噴射量的30％時，噴射定時區(qū)域可以被分成噴射定時區(qū)域Ⅰ和噴射定時區(qū)域Ⅲ及介于兩者之間的噴射定時區(qū)域Ⅱ，在噴射定時區(qū)域Ⅰ內(nèi)將出現(xiàn)爆炸性燃燒，而在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)則會出現(xiàn)平穩(wěn)燃燒而且不會產(chǎn)生NOx和黑煙，在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)則不會出現(xiàn)燃燒。另一方面，當燃料的噴射量超過最大噴射量的30％而小于大約50％時，噴射定時區(qū)域可以被分成噴射定時區(qū)域Ⅰ和噴射定時區(qū)域Ⅲ。當燃料的噴射量大于最大噴射量的大約50％時，在整個的噴射定時區(qū)域內(nèi)都可出現(xiàn)如已往的發(fā)動機一樣的常規(guī)燃燒。
值得注意的是，圖3A,3B和4A中所示的噴射定時區(qū)域Ⅱ受到壓縮比率和EGR比率(=EGR燃氣量/(進氣量+EGR燃氣量))的影響。也就是，隨著發(fā)動機壓縮比率的增大，在圖3A,3B和4A中所示的噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)，燃燒室5內(nèi)的壓力增加，因而燃料顆粒變得更難以擴散，而且燃燒室5內(nèi)的氣體溫度也升高了。因此，如果燃料在圖3A，3B和4A所示的噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)噴射，燃料顆粒由于熱的作用而分解，進而開始燃燒。所以如果發(fā)動機的壓縮比率增高，則沒有燃燒出現(xiàn)的噴射定時區(qū)域Ⅱ就不存在了。
另外，如果EGR比率很大，圍繞燃料顆粒的氧的密度變得很小，進而燃料顆粒中的汽化了的燃料的氧化作用所放出的熱量也就變得很低，這樣即使燃料顆粒的擴散程度小到一定范圍，燃料顆粒也不會被熱量所分解。所以在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)，當EGR比率很高時，甚至在發(fā)動機的壓縮比率頗高時，也不會出現(xiàn)燃燒。
圖6中的實線E示出了在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)的發(fā)動機壓縮比率的上限，如圖3A,3B和4A所示，在該噴射區(qū)域內(nèi)沒有燃燒出現(xiàn)。如圖6所示，當EGR比率為零時，在沒有燃燒出現(xiàn)的噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)的發(fā)動機壓縮比率的上限E大約為16.0。如果發(fā)動機的壓縮比率大于大約16.0，則就不再存在沒有燃燒出現(xiàn)的噴射定時區(qū)域Ⅱ了。
另一方面，EGR比率越高，則在沒有燃燒出現(xiàn)的噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)的發(fā)動機的壓縮比率的上限E就越高。而且，為了實現(xiàn)壓縮點燃，發(fā)動機的壓縮比率必須至少為大約12.0。因此，在沒有燃燒出現(xiàn)的噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)的發(fā)動機的壓縮比率的范圍為圖6中的影線所示的范圍。
如上文所述，如果在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)，燃料的噴射量小于最大噴射量的30％，接近壓縮沖程的上死點，在燃燒室內(nèi)會產(chǎn)生大量的含有氧的易燃的碳氫化合物。此時，沒有燃燒出現(xiàn)，因此如果在此時再次進行燃料噴射，燃料顆粒將在燃燒室5內(nèi)擴散，而不會燃燒。隨著溫度的升高，各處的燃料顆粒在熱的作用下分解。當燃料顆粒由于熱的作用而分解時，所產(chǎn)生的氫分子H2燃燒，進而整個燃燒室5內(nèi)的壓力上升，因而燃燒室5內(nèi)的溫度也整體地上升。
當整個燃燒室5內(nèi)的溫度上升時，在燃燒室5內(nèi)擴散的含有氧的易燃的碳氫化合物同時開始燃燒，進而第二次噴射的燃料顆?？梢员稽c燃。如果在燃燒室5內(nèi)的燃燒以此方式同時開始進行，則就不會存在局部燃燒溫度的上升，進而燃燒室5內(nèi)的整體的燃燒溫度就較低，這樣就可以抑制NOx的產(chǎn)生。而且，由于第二次所噴射的燃料在擴散之后可以被點燃，所以圍繞燃料顆粒有足夠的空氣，因而也可以抑制黑煙的產(chǎn)生。
如果在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行噴射量不大于最大噴射量的30％的第一次的燃料噴射，而后大體在壓縮沖程的上死點或壓縮沖程的上死點之后進行第二次燃料噴射，則有可能得到NOx和黑煙都極少產(chǎn)生的平穩(wěn)燃燒。
如上所述，如果在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行燃料噴射，則幾乎沒有NOx或黑煙產(chǎn)生。在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行燃料噴射所產(chǎn)生的NOx和黑煙的量比在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行燃料噴射所產(chǎn)生的要少一些，而后是大體在壓縮沖程的上死點或壓縮沖程的上死點之后。因此，最好是在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)盡可能多地噴射燃料。然而如上所述，當在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)進行燃料噴射時，當燃料的噴射量小于大約最大噴射量的50％時，幾乎沒有NOx或黑煙產(chǎn)生。
因此，在本發(fā)明中，如圖7所示，發(fā)動機工作區(qū)被分成在低載荷端的第一工作區(qū)F和在高載荷端的第二工作區(qū)G。當發(fā)動機處于第一工作區(qū)F時，在噴射定時區(qū)域Ⅲ內(nèi)至少進行一次燃料噴射，而當發(fā)動機處于第二工作區(qū)G時，首先在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行噴射量不大于最大噴射量的30％的第一次噴射，而后大體在壓縮沖程的上死點或壓縮沖程的上死點之后進行第二次燃料噴射。
注意到已往的壓燃式發(fā)動機在主噴射之前先進行少量的燃料噴射，即進行一先導噴射。該先導噴射通常是在噴射定時區(qū)域Ⅰ內(nèi)進行，如圖3A、3B和4B所示。因而，先導噴射所噴射的燃料自身獨立地燃燒。與此相反，在本發(fā)明中，在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)所噴射的燃料不會自身獨立地燃燒。因此，在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)的燃料噴射與常規(guī)的先導噴射是截然不同的。在圖7中，縱坐標Q表示燃料噴射總量，而橫坐標N為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。
圖8A示出了在一特定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速N，例如1500rpm下，在工作區(qū)F內(nèi)的燃料噴射I和在工作區(qū)G內(nèi)的第一次燃料噴射I1及第二次燃料噴射I2的噴射定時。圖8B示出了在工作區(qū)G內(nèi)的第一次燃料噴射I1的噴射定時。其中圖8A的橫坐標示出了燃料噴射總量Q，而圖8B的橫坐標為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。
而且在圖8A和8B中，工作區(qū)F內(nèi)的θS和θE分別示出了燃料噴射I的噴射開始定時和噴射結束定時，工作區(qū)G內(nèi)的θS1和θE1分別示出了第一次燃料噴射I1的噴射開始定時和噴射結束定時，而工作區(qū)G內(nèi)的θS2和θE2分別示出了第二次燃料噴射I2的噴射開始定時和噴射結束定時。而且，圖8A和8B所示的情形為公共管25內(nèi)的燃料壓力被保持在一恒定的壓力。因此，在圖8A和8B中，燃料的噴射量與噴射定時成正比。
如圖8A所示，在本發(fā)明的實施例中，燃料噴射I的噴射結束定時θE基本上固定在上止點前70度，因而在此實施例中，在靠近上止點前70度處進行單一燃料噴射。當然，在此情形下，也可以將燃料噴射I分成兩次進行。
另外，如圖8B所示，在工作區(qū)G內(nèi)的第一次燃料噴射I1在靠近噴射定時區(qū)域Ⅱ的界線X的一時刻進行，因此發(fā)動機的轉(zhuǎn)速N越高，則第一次燃料噴射I1的定時就越早。注意到在圖8A和8B所示的實施例中，第一次燃料噴射I1的噴射量為最大噴射量的10％。而且，在圖8A和8B所示的實施例中，第二次燃料噴射I2的噴射開始定時θS2被固定在壓縮沖程的上死點(TDC)。
在圖8A中，燃料噴射總量Q是加速器踏板40的下降量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)。燃料噴射總量Q以圖9A所示的圖形的形式被預先儲存在ROM32中。另一方面，第一次燃料噴射I1的噴射量Q1是隨著燃料噴射總量Q和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的變化而變化。燃料噴射量Q1是以圖9B所示的圖形的形式被預先儲存在ROM32中。而且，第一次燃料噴射I1的噴射開始定時θS1也是燃料噴射總量Q和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的函數(shù)。噴射開始定時θS1也是以圖9C所示的圖形的形式被預先儲存在ROM32中。
圖10示出了噴射控制流程。如圖10所示，首先在步驟50，燃料噴射總量Q從圖9A所示的圖形中計算出。接下來，在步驟51，判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)是否在圖7所示的工作區(qū)F內(nèi)。當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于工作區(qū)F內(nèi)時，工作流程繼續(xù)到步驟52，在該步驟中，根據(jù)燃料噴射總量Q計算出燃料噴射I的噴射開始定時θS。與此相反，當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于如圖7所示的工作區(qū)G而不是工作區(qū)F時，工作流程轉(zhuǎn)到步驟53，在該步驟中，從圖9B所示的圖形中計算出第一次燃料噴射I1的噴射量Q1。而后，在步驟54中，第一次燃料噴射I1的噴射開始定時θS1從圖9C所示的圖形中計算出。接下來，在步驟55中，根據(jù)噴射量Q1和噴射開始定時θS1計算出第一次燃料噴射I1的噴射結束定時θE1。然后，在步驟56中，根據(jù)燃料噴射總量Q和燃料噴射量Q1等計算出第二次燃料噴射I2的噴射結束定時θE2。
圖11至圖14示出了另一個實施例。
如上所述，在工作區(qū)F內(nèi)幾乎沒有NOx和黑煙產(chǎn)生。另外，在工作區(qū)G內(nèi)，雖然所產(chǎn)生的NOx和黑煙的量很少，但還是有一些。在此實施例中，為了在工作區(qū)G內(nèi)防止大量的NOx和黑煙，即碳氫化合物被釋放入大氣環(huán)境中，空氣過量比率λ被控制在1.0，如圖11所示的λ2。也就是說，空氣燃料比率被控制為理想配比的空氣燃料比率。如果空氣燃料比率被控制為理想配比的空氣燃料比率，則NOx和碳氫化合物可以由三向催化器19很好地脫離，進而可以防止NOx和碳氫化合物向大氣環(huán)境中的釋放。
另外，在此實施例中，通過控制EGR氣體以將空氣燃料比率控制在理想配比的空氣燃料比率。使空氣燃料比率成為理想配比的空氣燃料比率所需的EGR控制閥23的基本開度Gθ2隨著燃料噴射總量Q和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化?；鹃_度Gθ2以圖12所示的圖形的形式被預先儲存在ROM32中。
在一通常的壓燃式發(fā)動機中，通過控制EGR氣體量使空氣燃料比率保持在理想配比的空氣燃料比率是不可能的。然而，在本發(fā)明的工作區(qū)G內(nèi)，如上所述，由第一次燃料噴射I1在大體靠近壓縮沖程的上死點處產(chǎn)生含有氧的碳氫化合物。因而，即使控制EGR氣體量使空氣燃料比率保持在理想配比的空氣燃料比率，由于碳氫化合物自身含有氧，所以當?shù)诙稳剂蠂娚銲2開始時，燃料的點燃和燃燒也會很好。
還有，在此實施例中，在工作區(qū)F內(nèi)，將空氣過量比率λ控制到為一大于1.0的數(shù)值，如圖11中的λ1。而且，隨著燃料噴射總量Q的增大，空氣過量比率λ降低。工作區(qū)F內(nèi)的目標空氣過量比率λ1實際上是燃料噴射量Q和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)。目標空氣過量比率λ1以圖13A所示的圖形的形式被預先儲存在ROM32中。使空氣過量比率λ成為目標空氣過量比率λ1所需的EGR控制閥23的基本開度Gθ1隨著燃料噴射量Q和發(fā)動機轉(zhuǎn)速N的變化而變化。基本開度Gθ2也以圖13B所示的圖形的形式被預先儲存在ROM32中。
圖14示出了噴射控制的流程。參見圖14，首先，在步驟60中，從圖9A所示的圖形中計算出燃料噴射總量Q。而后，在步驟61中，判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)是否處于圖7所示的工作區(qū)F。當發(fā)動機的工作狀態(tài)在工作區(qū)F內(nèi)時，流程繼續(xù)到步驟62。
在步驟62，根據(jù)燃料噴射總量Q計算出噴射開始定時θS。而后，在步驟63中，從圖13A所示的圖形中計算出目標空氣過量比率λ1，然后，在步驟64中，從圖13B所示的圖形中計算出EGR控制閥23的基本開度Gθ1。接下來，在步驟65中，判斷由空燃比傳感器21監(jiān)測到的空氣過量比率λ是否大于目標空氣過量比率λ1。當λ＞λ1時，流程繼續(xù)到步驟66，在該步驟中，在修正值Δθ1中加入一恒定值α，而后流程繼續(xù)到步驟68。與此相對，當λ≤λ1時，流程轉(zhuǎn)到步驟67，在該步驟中，在修正值Δθ1中減去一恒定值α，而后流程繼續(xù)到步驟68。在步驟68中，在基本開度Gθ1中加入修正值Δθ1以計算EGR控制閥的最終的開度Gθ。
另外，當在步驟61判斷出發(fā)動機的工作狀態(tài)不是在工作區(qū)F時，即發(fā)動機的工作狀態(tài)處于工作區(qū)G時，流程轉(zhuǎn)到步驟69，在該步驟中，從圖9B所示的圖形中計算出第一次燃料噴射的噴射量Q1。而后，在步驟70中，從圖9C所示的圖形中計算出第一次燃料噴射I1的噴射開始定時θS1。接下來，在步驟71中，根據(jù)噴射量Q1和噴射開始定時θS1計算第一次燃料噴射I1的噴射結束定時θE1。然后，在步驟72，根據(jù)燃料噴射總量Q和燃料噴射量Q1等計算第二次燃料噴射I2的噴射結束定時θE2。
然后，在步驟73中，從圖12所示的圖形中計算出EGR控制閥23的基本開度Gθ2。接下來，在步驟74，判斷由空燃比傳感器21監(jiān)測到的空氣過量比率λ是否大于空氣過量比率1.0。當λ＞1.0時，流程繼續(xù)到步驟75，在該步驟中，在修正值Δθ2中加入一恒定值β，而后流程繼續(xù)到步驟77。與此相對，當λ≤1.0時，流程轉(zhuǎn)到步驟76，在該步驟中，在修正值Δθ2中減去恒定值β，然后，流程繼續(xù)到步驟77。在步驟77中，基本開度Gθ2加上修正值Δθ2以計算EGR控制閥23的最終開度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，有可能在發(fā)動機的整個工作區(qū)域內(nèi)抑制NOx和黑煙的產(chǎn)生。
雖然以上以特定實施例的方式對本發(fā)明進行了描述，但是很明顯在不偏離本發(fā)明宗旨和范圍的情況下，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行多種形式的修改。
權利要求
1．一種壓燃式發(fā)動機，包括一燃燒室；一向所述燃燒室的內(nèi)部噴射燃料的燃料噴射器，發(fā)動機的工作區(qū)被分為一低載荷的第一工作區(qū)和一高載荷的第二工作區(qū)；噴射控制裝置，當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第一工作區(qū)時，該裝置使在壓縮沖程的上死點之前50度之前至少進行一次燃料噴射，使所噴射的燃料燃燒，當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)內(nèi)時，該噴射控制裝置所進行的第一次燃料噴射的噴射量，即使噴射了，也不會出現(xiàn)燃燒，在壓縮沖程的后半個沖程的一預定的噴射定時區(qū)內(nèi)，即使進行了燃料噴射，燃燒也不會出現(xiàn)，并且該裝置在晚于所述預定的噴射定時區(qū)的一噴射定時進行第二次燃料噴射，使得第一次噴射的燃料和第二次噴射的燃料燃燒。
2．如權利要求1所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)內(nèi)時，不出現(xiàn)燃燒的第一次燃料噴射的噴射量不大于最大噴射量的30％。
3．如權利要求1所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于所述預定的噴射定時區(qū)從大約壓縮沖程的上死點之前的90度到大約壓縮沖程的上死點之前的20度。
4．如權利要求3所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，所述預定噴射定時區(qū)域內(nèi)的最早的噴射定時愈靠近所述壓縮沖程的下死點，并且發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，所述預定噴射定時區(qū)域內(nèi)的最晚的噴射定時越靠近所述壓縮沖程的下死點。
5．如權利要求4所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600rpm時，所述最早的噴射定時在壓縮沖程的上死點之前50度附近，而當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4000rpm時，所述最早的噴射定時在壓縮沖程的上死點之前90度附近。
6．如權利要求4所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于第一次燃料噴射的噴射量與最大噴射量之間的比率越大，則所述最晚的噴射定時越靠近所述壓縮沖程的下死點，并且在相同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，上述比率越大，則所述最早噴射定時和最晚噴射定時之間的差值越小。
7．如權利要求6所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當?shù)谝淮稳剂蠂娚涞膰娚淞繛樽畲髧娚淞康?％且發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600rpm時，最晚的噴射定時在壓縮沖程的上死點之前20度左右，并且所述噴射定時之間的差值為從大約30度曲柄角到40度曲柄角。
8．如權利要求6所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當?shù)谝淮稳剂蠂娚涞膰娚淞繛樽畲髧娚淞康?0％且發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600rpm時，最晚的噴射定時在壓縮沖程的上死點之前30度左右，并且所述噴射定時之間的差值為從大約20度曲柄角到30度曲柄角。
9．如權利要求6所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當?shù)谝淮稳剂蠂娚涞膰娚淞繛樽畲髧娚淞康?0％且發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600rpm時，最晚的噴射定時在壓縮沖程的上死點之前40度左右，并且所述噴射定時之間的差值為從大約10度曲柄角到15度曲柄角。
10．如權利要求1所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)時，所述發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越高，則第一次燃料噴射的噴射定時越早。
11．如權利要求1所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)時，第二次燃料噴射基本是在壓縮沖程的上死點或壓縮沖程的上死點之后進行。
12．如權利要求1所述的一種壓燃式發(fā)動機，還包括用于將空氣燃料比率控制到一預定的目標空氣燃料比率的空燃比控制裝置。
13．如權利要求12所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第一工作區(qū)時，所述目標空氣燃料比率是一可燃成分少的空氣燃料比率。
14．如權利要求12所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)時，所述目標空氣燃料比率為理想配比的空氣燃料比率。
15．如權利要求12所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于所述空燃比控制裝置通過控制再循環(huán)排氣量進而將空氣燃料比率控制到所述目標空氣燃料比率。
16．如權利要求1所述的一種壓燃式發(fā)動機，其特征在于在發(fā)動機的排氣管內(nèi)設置有一三向催化器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓燃式發(fā)動機,該發(fā)動機的工作區(qū)被分為低載荷的第一工作區(qū)F和高載荷的第二工作區(qū)G。當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第一工作區(qū)F內(nèi)時,僅在壓縮沖程的上死點之前50度進行一次燃料噴射。當發(fā)動機的工作狀態(tài)處于第二工作區(qū)G內(nèi)時,則在噴射定時區(qū)域Ⅱ內(nèi)進行第一次燃料噴射I
文檔編號F02M45/00GK1226630SQ98122960
公開日1999年8月25日 申請日期1998年11月30日 優(yōu)先權日1998年2月20日
發(fā)明者柳原弘道 申請人:豐田自動車株式會社