專利名稱：柴油發(fā)動機及控制該柴油發(fā)動機的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有幾何壓縮比設(shè)定得較低的低壓縮比柴油發(fā)動機。
背景技術(shù)：
在安裝到車輛的柴油發(fā)動機中，為了例如減少排氣中含有的NOx和黑煙，減少噪聲或振動，以及改進燃料消耗和扭矩，在發(fā)動機的一個循環(huán)中，在每個汽缸中執(zhí)行多次燃料噴射。例如，JP2009-293383A公開了一種具有渦輪增壓器的柴油發(fā)動機，其執(zhí)行五次燃料噴射用于產(chǎn)生扭矩的主噴射，在該主噴射之前執(zhí)行以預(yù)加熱汽缸的先導(dǎo)噴射(Piolt injection)，在先導(dǎo)噴射與主噴射之間執(zhí)行以抑制主噴射噴射的燃料的點火延遲的預(yù)噴射(pre-injection)，在主噴射之后執(zhí)行以提高排氣溫度的后噴射(after injection), 以及在后噴射之后通過直接將燃料引入排氣系統(tǒng)以提高催化劑溫度的后期噴射(post injection)。同時，在柴油發(fā)動機中，在噴射燃料后，在燃燒開始之前存在時延(例如點火延遲)。當點火延遲較長時，燃燒的熱釋放率的斜率(=dQ/de，其中“q”表示熱量，“ θ ”表示曲軸轉(zhuǎn)角)變得較陡且燃燒噪聲變得較大，從而NVH性能下降。因此，在柴油發(fā)動機中，期望點火延遲相對較短。然而，在具有幾何壓縮比設(shè)定為例如15 :1或更低的低壓縮比的發(fā)動機中，在壓縮行程末端的溫度和壓力較低，從而點火延遲傾向于延長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述情況形成，本發(fā)明能夠縮短具有低壓縮比的柴油發(fā)動機中的點火延遲并改善NVH性能。在本發(fā)明中，通過在主燃燒之前執(zhí)行前階段燃燒使發(fā)動機汽缸內(nèi)的溫度上升且壓力增加，從而縮短了主燃燒的點火延遲。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種柴油發(fā)動機，包括供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的發(fā)動機本體；設(shè)置在所述發(fā)動機本體中朝向所述發(fā)動機本體的汽缸并直接噴射燃料到所述汽缸中的燃料噴射閥；及控制通過所述燃料噴射閥噴射所述燃料到所述汽缸中的模式的控制模塊。所述控制模塊執(zhí)行主噴射使所述噴射的燃料產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒，并在所述主噴射之前執(zhí)行多次前階段噴射使所述噴射的燃料在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒。所述控制模塊控制所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便在當所述前階段燃燒的熱釋放率達到峰值同時所述前階段燃燒的熱釋放率開始降低之后，所述主燃燒的熱釋放率開始增加。應(yīng)注意，在此，術(shù)語“噴射模式”包括噴射燃料的類型和正時，以及燃料噴射量。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，發(fā)動機本體設(shè)定為具有15 1以下的較低幾何壓縮比，且在壓縮行程末端發(fā)動機本體內(nèi)的溫度和壓力較低。從而，發(fā)動機本體的點火延遲較長。應(yīng)注意，發(fā)動機本體的幾何壓縮比可設(shè)定為12 1或更高。因此，在主噴射之前執(zhí)行多次前階段噴射。執(zhí)行前階段噴射產(chǎn)生前階段燃燒，增加了汽缸內(nèi)(即，燃燒室內(nèi))的溫度和壓力。點火延遲主要取決于汽缸內(nèi)溫度和壓力，因此，點火延遲隨著汽缸內(nèi)溫度和壓力的增加而縮短。即，通過經(jīng)前階段燃燒增加汽缸內(nèi)的溫度和壓力，后續(xù)主燃燒的點火延遲縮短。結(jié)果是，主燃燒的熱釋放率的斜率不再變陡而是變緩， 且抑制了熱釋放率的峰值。因此，有利于改善NVH性能。特別地，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，設(shè)定前階段噴射和主噴射的噴射模式，以便在當前階段燃燒的熱釋放率達到峰值同時前階段燃燒的熱釋放率開始降低之后，主燃燒的熱釋放率開始增加。即，在示出相對于曲軸轉(zhuǎn)角變化的熱釋放率變化的圖中，最小值存 在于前階段燃燒的較低鐘形曲線和主燃燒的較高鐘形曲線之間。換言之，在主燃燒的熱釋放率開始增加之前產(chǎn)生前階段燃燒的熱釋放率的鐘形曲線峰值。因此，通過使用從前階段燃燒獲得的能量， 在主燃燒開始時，足以增加汽缸內(nèi)溫度和壓力以縮短點火延遲，同時避免增加主燃燒的燃燒噪聲。因此，除了縮短點火延遲外，前階段噴射的噴射量減少至所需的最小值，從而，有利于改善燃料消耗。在此，點火延遲不僅存在于主燃燒，還存在于前階段燃燒。前階段燃燒的較長的點火延遲使前階段燃燒的可控性下降。特別地，因為在汽缸內(nèi)溫度和壓力不太高的壓縮行程中執(zhí)行前階段噴射，相比較于主燃燒，前階段燃燒時期處于不利的情況。因此，通過執(zhí)行多次前階段噴射縮短了前階段燃燒的點火延遲。即，點火延遲不僅取決于溫度和壓力，也取決于當量比，點火延遲隨著當量比變高而縮短。在此，基于用于產(chǎn)生主燃燒期望的氛圍(即，期望的汽缸內(nèi)溫度和壓力)所需的熱量，確定前階段噴射的總噴射量。如果前階段噴射所需的總噴射量通過單次燃料噴射供給至汽缸，噴射周期延長且所噴射的燃料被立即擴散，從而汽缸內(nèi)狀態(tài)變得過稀且前階段燃燒的點火延遲變長。另一方面，當前階段噴射所需的總噴射量通過多次燃料噴射供給時，燃料不立即擴散，因為每單次前階段噴射的噴射量減少，由于間歇地執(zhí)行多次燃料噴射，噴射的燃料與先前噴射的燃料彼此碰撞，從而，可局部地產(chǎn)生具有高當量比的氣體混合。即，多次前階段噴射通過產(chǎn)生具有高當量比的氣體混合縮短了前階段燃燒的點火延遲。當縮短前階段燃燒的點火延遲時， 可以準確控制前階段燃燒的正時。因此，通過結(jié)合多次前階段噴射和主噴射可以提高用于改善NVH性能的控制的穩(wěn)健性。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括發(fā)動機本體、燃料噴射閥和控制模塊的柴油發(fā)動機。所述控制模塊控制所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便通過經(jīng)所述前階段燃燒增加所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力，使從所述主噴射開始至所述主燃燒開始的點火延遲在0. 1至0. 3msec的范圍內(nèi)。如上所述，在主噴射之前執(zhí)行多次前階段噴射以如上所述產(chǎn)生前階段燃燒。結(jié)果是，增加了汽缸內(nèi)溫度和壓力并縮短了主燃燒的點火延遲。在此，特別控制前階段噴射的噴射模式以使點火延遲在0. 1至0. 3msec的范圍內(nèi)。如果主燃燒的點火延遲長于0. 3msec, 則主燃燒的熱釋放率的斜率變陡且NVH性能下降。另一方面，如果主燃燒的點火延遲短于 0. 1msec，則燃料噴射的穿透性降低，從而混合氣體的質(zhì)量下降，并進一步使排放性能下降。所述控制模塊控制所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式，以使所述前階段燃燒的熱釋放率在壓縮行程上止點之前達到峰值，且所述主燃燒在所述壓縮行程上止點附近開始。在壓縮行程上止點附近開始主燃燒有利于改善耐失火性?？紤]到在壓縮行程上止點附近準確開始主燃燒，經(jīng)由前階段燃燒縮短點火延遲是非常有效的。即，通過使在前階段燃燒的熱釋放率在壓縮行程上止點之前提前達到峰值的正時執(zhí)行前階段燃燒，能夠通過在壓縮行程上止點附近的合適正時執(zhí)行主噴射、從而在壓縮行程上止點附近穩(wěn)定地執(zhí)行主燃燒。
各前階段噴射在噴射的燃料到達安裝到所述汽缸中的活塞的頂面形成的腔內(nèi)的正時執(zhí)行。如上所述，抑制噴射的燃料擴散到腔外部，從而可以在腔內(nèi)產(chǎn)生具有高當量比的氣體混合。該氣體混合有利于進一步穩(wěn)定地產(chǎn)生前階段燃燒。在此，術(shù)語“燃料到達腔內(nèi)” 包括在活塞向著壓縮行程上止點上升時通過燃料噴射閥噴射的燃料直接到達該腔內(nèi)的情況，和通過燃料噴射閥噴射的燃料到達例如腔的唇部并在腔的外部流動但在活塞到達壓縮行程中的上止點附近時到達該腔內(nèi)的情況。即，相應(yīng)地延長了前階段噴射的提前極限。該柴油發(fā)動機還包括連接到所述汽缸的電熱塞。當所述發(fā)動機本體低于預(yù)定的第一溫度時，所述控制模塊進一步操作所述電熱塞，當所述發(fā)動機本體高于所述第一溫度且低于預(yù)定的第二溫度時，所述控制模塊停用所述電熱塞并執(zhí)行所述多次前階段噴射和所述主噴射。所述發(fā)動機本體的溫度可確定為發(fā)動機冷卻劑的溫度。S卩，當發(fā)動機本體的溫度低于預(yù)定的第一溫度時，換言之，當發(fā)動機處于冷狀態(tài)或極冷狀態(tài)中時，通過使用電熱塞可確保點火性(ignitability),且可避免例如NVH性能下降的問題。另一方面，當發(fā)動機本體的溫度高于預(yù)定的第二溫度時，換言之，當發(fā)動機處于預(yù)熱后的狀態(tài)中時，由于汽缸內(nèi)溫度變高，可確保點火性，且可避免例如NVH性能下降的問題。此外，當發(fā)動機本體的溫度高于第一溫度且低于預(yù)定的第二溫度時，換言之，當發(fā)動機處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中時，汽缸內(nèi)溫度不太高同時停用電熱塞，因此點火性最差。特別地，在發(fā)動機本體中，由于幾何壓縮比較低，結(jié)合較差的溫度條件，點火性易于顯著下降。在此，通過多次前階段噴射產(chǎn)生前階段燃燒，從而，縮短點火延遲非常有利于改善NVH性能。所述控制模塊通過使用基于所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)和與所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)相關(guān)的環(huán)境條件評估所述壓縮行程末端的所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力而計算的所述點火延遲的模型、確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式?；蛘?，所述控制模塊通過使用表示基于所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)和與所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)相關(guān)的環(huán)境條件的所述壓縮行程末端的所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力的狀態(tài)與在所述溫度和壓力的狀態(tài)下的點火延遲之間的關(guān)系的區(qū)域圖、確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式。在通過多次前階段噴射增加汽缸內(nèi)溫度和壓力以縮短主燃燒的點火延遲的控制中，使用模型或區(qū)域圖的控制對于準確確定前階段噴射和主噴射的噴射模式是有效的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種控制具有直接供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料的汽缸，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的柴油發(fā)動機的方法。在此，該控制方法在所述發(fā)動機處于預(yù)定工作狀態(tài)中時，執(zhí)行用于產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒的主噴射，和用于在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒的前階段噴射。此外，該控制方法確定所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便在當所述前階段燃燒的熱釋放率達到峰值同時所述前階段燃燒的熱釋放率開始降低之后，所述主燃燒的熱釋放率開始增加；根據(jù)確定的噴射模式在壓縮行程中執(zhí)行多次所述前階段噴射；且根據(jù)確定的噴射模式在所述前階段噴射后執(zhí)行所述主噴射。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該控制方法包括確定所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便通過經(jīng)所述前階段燃燒增加所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力，使從所述主噴射開始至所述主燃燒開始的點火延遲在0. 1至0. 3msec的范圍內(nèi)；根據(jù)確定的噴射模式在壓縮行程中執(zhí)行多次所述前階段噴射；且根據(jù)確定的噴射模式在所述前階段噴射后執(zhí)行所述主噴射。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，即使在具有低壓縮比的柴油發(fā)動機中，通過經(jīng)前階段燃燒縮短主燃燒的點火延遲，可改善NVH性能。


圖1是示出根據(jù)一個實施例的具有渦輪增壓器的柴油發(fā)動機的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是與柴油發(fā)動機的控制相關(guān)的框圖。圖3中，(a)圖示出當發(fā)動機處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中時，在預(yù)定工作范圍內(nèi)的燃料噴射模式的示例，(b)圖示出對應(yīng)于該燃料噴射模式在汽缸中的熱釋放率的歷史的示例。圖4是在采用壓縮行程末端的溫度和壓力作為參數(shù)的溫度-壓力平面上的與點火延遲相關(guān)的等值線圖的示例。圖5A-5C示出了具有不同噴射模式的汽缸中的局部當量比的分布頻率 (distribution frequencies)，其中圖5A是在噴射孔的數(shù)量為八個且執(zhí)行一次噴射的噴射模式中，圖5B是在噴射孔的數(shù)量為八個且執(zhí)行三次噴射的噴射模式中，及圖5C是在噴射孔的數(shù)量為十二個且執(zhí)行三次噴射的噴射模式中。圖6是當發(fā)動機處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中時燃料噴射區(qū)域圖(map)的示例。圖7通過利用與點火延遲相關(guān)的等值線圖示出圖3所示的燃料噴射模式中的預(yù)噴射的功能。圖8示出了當預(yù)噴射量不同時，與預(yù)燃燒的噪聲相關(guān)的參數(shù)和總噴射量之間的關(guān)系。圖9中，(a)圖示出在預(yù)定工作范圍內(nèi)且不同于圖3的燃料噴射模式的示例，(b) 圖示出對應(yīng)于該燃料噴射模式在汽缸中的熱釋放率的歷史的示例。圖10使用與點火延遲相關(guān)的等值線圖示出圖9所示的燃料噴射模式中的預(yù)噴射的功能。
具體實施例方式以下參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的柴油發(fā)動機。應(yīng)注意，以下優(yōu)選實施例的描述僅是示例。圖1和2示出了該實施例的發(fā)動機(發(fā)動機本體)1的示意性結(jié)構(gòu)。 發(fā)動機1是安裝到車輛中并且供給有其中主要成分為柴油燃料的燃料的柴油發(fā)動機。柴油發(fā)動機包括具有多個汽缸Ila (僅示出了一個汽缸)的汽缸體11，設(shè)置在該汽缸體11上的汽缸蓋12，以及設(shè)置在該汽缸體11下方并在其中存儲潤滑油的油底殼13。在發(fā)動機1的汽缸Ila內(nèi)，往復(fù)式地安裝活塞14，部分形成縮口型燃燒室14a的腔在各活塞14的頂面上形成。各活塞14通過連桿14b連接到曲軸15。在汽缸蓋12中，對每個汽缸11a，形成進氣道16和排氣道17，并設(shè)有進氣門21和排氣門22，進氣門21用于開啟和關(guān)閉在燃燒室1 側(cè)上的進氣道16的開口，排氣門22用于開啟和關(guān)閉燃燒室Ha側(cè)上的排氣道17的開口。在用于操作進氣門21和排氣門22的發(fā)動機1的氣門系統(tǒng)中，用于在正常模式與特殊模式之間切換排氣門22的操作模式的液壓驅(qū)動切換機構(gòu)71 (參見圖2，在下文中稱為 VVM，可變氣門裝置(variable valve motion))設(shè)置在排氣門側(cè)。該VVM 71 (未示出其詳細結(jié)構(gòu))包括兩種彼此具有不同凸輪輪廓的凸輪，即具有一個凸輪尖的第一凸輪和具有兩個凸輪尖的第二凸輪，以及用于選擇性地將第一凸輪和第二凸輪中的任一個的操作狀態(tài)傳遞至排氣門22的空轉(zhuǎn)機構(gòu)。當空轉(zhuǎn)機構(gòu)將第一凸輪的操作狀態(tài)傳遞至排氣門22時，排氣門22在正常模式中操作，且在排氣行程中僅開啟一次。另一方面，當空轉(zhuǎn)機構(gòu)將第二凸輪的操作狀態(tài)傳遞至排氣門22時，排氣門22在特殊模式中操作，且在排氣行程中開啟并在進氣行程中再次開啟，即排氣門開啟兩次。VVM 71中在正常模式與特殊模式之間的模式切換通過由發(fā)動機操作的液壓泵(未圖示)施加的液壓執(zhí)行。該特殊模式可用于與內(nèi)部EGR相關(guān)的控制。應(yīng)注意，可采用通過使用電磁驅(qū)動器操作排氣門22的電磁操作氣門系統(tǒng)在正常模式與特殊模式之間切換。此外， 內(nèi)部EGR的執(zhí)行不限于開啟排氣門22兩次，且內(nèi)部EGR的執(zhí)行可經(jīng)由通過開啟進氣門21 兩次的內(nèi)部EGR控制實現(xiàn)，或可經(jīng)由通過在排氣行程或進氣行程期間關(guān)閉進氣門21和排氣門22兩者設(shè)定負重疊期使燃燒氣體保持在燃燒室內(nèi)的內(nèi)部EGR控制實現(xiàn)。用于噴射燃料的噴射器18和用于在發(fā)動機1處于冷狀態(tài)下加熱進氣以改善燃料點火性的電熱塞(glow plug)19設(shè)置在汽缸蓋12內(nèi)。噴射器18設(shè)置為使其燃料噴射口分別從燃燒室14a的天花板表面面向燃燒室14a，且噴射器18通過主要在壓縮行程中的上止點附近直接噴射燃料以將燃料供給至燃燒室14a。進氣通道30連接到發(fā)動機1的側(cè)面以便與汽缸Ila的進氣道16連通。同時，用于從汽缸Ila的燃燒室Ha排出燃燒氣體(即，排氣)的排氣通道40連接到發(fā)動機1的另一側(cè)面。進氣通道30和排氣通道40中設(shè)置有用于對進氣渦輪增壓的大型渦輪增壓器61和小型渦輪增壓器62 (在下文中詳述)。用于過濾進氣的空氣濾清器31設(shè)置在進氣通道30的上游端部。均壓箱(surge tank) 33設(shè)置在進氣通道30的下游端附近。在均壓箱33的下游側(cè)的進氣通道30的一部分分支為向各汽缸Ila延伸的獨立通道，獨立通道的下游端與汽缸Ila的進氣道16連接。大型渦輪增壓器61的壓縮機61a，小型渦輪增壓器62的壓縮機62a，用于冷卻由壓縮機61a和6 壓縮的空氣的中間冷卻器35，以及用于調(diào)節(jié)流入汽缸Ila的燃燒室1 的進氣量的節(jié)流閥36，設(shè)置在空氣濾清器31和均壓箱33之間的進氣通道30中。該節(jié)流閥 36基本上全開；然而，當發(fā)動機1停止時，該節(jié)流閥36全閉以防止爆震。排氣通道40的上游側(cè)的部分由排氣歧管構(gòu)成，該排氣歧管具有向汽缸Ila分支且與排氣道17的外端相連的獨立通道以及這些獨立通道集合在一起的集合部。在排氣歧管下游的排氣通道40的部分，從上游按此順序設(shè)置有小型渦輪增壓器 62的渦輪62b，大型渦輪增壓器61的渦輪61b，用于清除排氣中含有的有害成分的排氣排放控制裝置41，以及消聲器42。該排氣排放控制裝置41包括氧化催化器41a和柴油微粒過濾器(DPF)41b，這些構(gòu)件從上游按此順序設(shè)置。該氧化催化器41a和DPF 41b容納在殼體中。該氧化催化器41a具有承載例如鉬或添加有鈀的鉬的氧化催化劑，并引起通過氧化排氣中含有的CO和HC而產(chǎn)生CO2和H2O的反應(yīng)。該氧化催化器41a配置有具有氧化功能的催化劑。該DPF 41b是捕捉來自發(fā)動機1的排氣中含有的如黑煙的PM (微粒物質(zhì))的過濾器，且是例如由耐熱陶瓷材料，如碳化硅(SiC)或堇青石制成的壁流式過濾器，或由耐熱陶瓷纖維制成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過濾器。應(yīng)注意，DPF 41b可涂有氧化催化劑。在均壓箱33與節(jié)流閥36之間的進氣通道30的一部分(即小型渦輪增壓器62的小型壓縮機6 下游的部分)和在排氣歧管與小型渦輪增壓器62的小型渦輪62b之間的排氣通道40的部分(即小型渦輪增壓器62的小型渦輪62b上游的部分)，與排氣再循環(huán)通道 51連接而將排氣部分地再循環(huán)至進氣通道30。用于調(diào)節(jié)至進氣通道30的排氣的再循環(huán)量的排氣再循環(huán)閥51a和用于通過發(fā)動機冷卻劑冷卻排氣的EGR冷卻器52設(shè)置在排氣再循環(huán)通道51中。該大型渦輪增壓器61具有設(shè)置在進氣通道30中的大型壓縮機61a和設(shè)置在排氣通道40中的大型渦輪61b。該大型壓縮機61a設(shè)置在空氣濾清器31與中間冷卻器35之間的進氣通道30中。該大型渦輪61b設(shè)置在排氣歧管與氧化催化器41a之間的排氣通道40 中。該小型渦輪增壓器62具有設(shè)置在進氣通道30中的小型壓縮機6 和設(shè)置在排氣通道40中的小型渦輪62b。該小型壓縮機6 設(shè)置在大型壓縮機61a下游的進氣通道30 中。該小型渦輪62b設(shè)置在大型渦輪61b上游的排氣通道40中。S卩，大型壓縮機61a和小型壓縮機6 從上游按此順序串聯(lián)設(shè)置在進氣通道30 中，而小型渦輪62b和大型渦輪61b從上游按此順序串聯(lián)設(shè)置在排氣通道40中。大型渦輪 61b和小型渦輪62b通過排氣的流動旋轉(zhuǎn)，且與大型渦輪61b和小型渦輪62b相連的大型壓縮機61a和小型壓縮機6 分別通過大型渦輪61b和小型渦輪62b的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。小型渦輪增壓器62相對較小而大型渦輪增壓器61相對較大。即，大型渦輪增壓器61的大型渦輪61b的慣性大于小型渦輪增壓器62的小型渦輪62b的慣性。用于繞過小型壓縮機62a的小型進氣旁通道63與進氣通道30相連。用于調(diào)節(jié)流入小型進氣旁通道63的空氣量的小型進氣旁通閥63a設(shè)置在小型進氣旁通道63中。該小型進氣旁通閥63a在沒有分配到電力時全閉(常閉)。用于繞過小型渦輪62b的小型排氣旁通道64和用于繞過大型渦輪61b的大型排氣旁通道65與排氣通道40相連。用于調(diào)節(jié)流入小型排氣旁通道64的排氣量的調(diào)節(jié)閥6 設(shè)置在小型排氣旁通道64中，且用于調(diào)節(jié)流入大型排氣旁通道65的排氣量的排氣泄壓閥 65a設(shè)置在大型排氣旁通道65中。該調(diào)節(jié)閥6 和排氣泄壓閥6 在沒有分配到電力時都全開(常開)。具有上述結(jié)構(gòu)的柴油發(fā)動機1通過動力系控制模塊10 (在下文中稱為PCM)控制。 該PCM 10配置有CPU，存儲器，計數(shù)器計時器組，接口以及具有用于與這些單元相連的路徑的微處理器。如圖2所示，將來自用于檢測發(fā)動機冷卻劑溫度的流體溫度傳感器SW1、連接到均壓箱33用于檢測供給至燃燒室14a的空氣的壓力的渦輪增壓壓力傳感器SW2、用于檢測進氣溫度的進氣溫度傳感器SW3、用于檢測曲軸15的轉(zhuǎn)角的曲軸轉(zhuǎn)角傳感器SW4、用于檢測相應(yīng)于車輛加速踏板(未圖示)角度的加速器開度的加速器位置傳感器SW5、用于檢測 DPF 41b上游的排氣上的壓力的上游排氣壓力傳感器SW6、以及用于檢測DPF 41b下游的排氣上的壓力的下游排氣壓力傳感器SW7的檢測信號輸入PCM 10。PCM 10基于這些檢測信號執(zhí)行各種計算以確定發(fā)動機1和車輛的狀態(tài)，進而根據(jù)確定的狀態(tài)輸出控制信號至噴射器18、電熱塞19、氣門系統(tǒng)的VVM 71以及閥36、51a、63a、6^和65a的驅(qū)動器。因此，發(fā)動機1配置為具有幾何壓縮比在12 1至低于15 1的范圍內(nèi)的較低壓縮比，從而改進了排氣排放性能并提高了熱效率。大型渦輪增壓器61和小型渦輪增壓器62 增加了發(fā)動機1的扭矩以補償由低幾何壓縮比損失的動力。(發(fā)動機的燃燒控制說明)
在通過PCM 10進行的發(fā)動機1的基本控制中，目標扭矩(S卩，目標負荷)主要基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和加速器開度確定，相應(yīng)于目標扭矩的燃料噴射量和噴射正時通過控制噴射器18 的驅(qū)動實現(xiàn)。隨著加速器開度變大或發(fā)動機轉(zhuǎn)速變高，該目標扭矩設(shè)定得較大。燃料噴射量基于目標扭矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)定。隨著目標扭矩變大或發(fā)動機轉(zhuǎn)速變高，該噴射量設(shè)定得較大。此外，PCMlO通過控制節(jié)流閥36和排氣再循環(huán)閥51a的開啟角度(即，外部EGR控制)以及控制VVM 71 (即，內(nèi)部EGR控制)控制至汽缸Ila的排氣的再循環(huán)率。在圖3中，(a)圖是示出發(fā)動機1處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中的燃料噴射模式的示例的曲線圖，(b)圖是示出對應(yīng)于該燃料噴射模式在汽缸Ila中的熱釋放率的歷史的示例的曲線圖。如上所述，發(fā)動機1具有低壓縮比，因此在壓縮行程末端的發(fā)動機1內(nèi)的溫度和壓力較低，且點火延遲傾向于較長。當發(fā)動機1處于預(yù)熱中且發(fā)動機1的溫度較低時，點火延遲進一步延長且燃燒噪聲變大，從而NVH性能下降。因此，在主燃燒之前執(zhí)行特有預(yù)燃燒 (characteristic pre—combustion)以使延:S縮短。首先，PCM 10基于流體溫度傳感器SWl的檢測結(jié)果確定發(fā)動機1是處于預(yù)熱后的狀態(tài)、冷狀態(tài)、還是未預(yù)熱完的狀態(tài)中。具體地，PCM 10確定當發(fā)動機冷卻劑溫度低于預(yù)定第一溫度(例如，40°C)時發(fā)動機1處于冷狀態(tài)中。PCM 10確定當發(fā)動機冷卻劑溫度為預(yù)定第二溫度(例如，80°C)以上時發(fā)動機1處于預(yù)熱后的狀態(tài)中。因此，當發(fā)動機冷卻劑溫度在第一溫度至低于第二溫度的范圍(例如，40至80°C)內(nèi)時，確定發(fā)動機處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中(即，正在預(yù)熱中)。當發(fā)動機1處于冷狀態(tài)中時，驅(qū)動電熱塞19。另一方面，當發(fā)動機 1處于預(yù)熱后的狀態(tài)或未預(yù)熱完的狀態(tài)中時，停用電熱塞19。此外，當發(fā)動機1處于未預(yù)熱完的狀態(tài)且處于預(yù)定工作條件中，如圖3所示，PCM 10在較接近壓縮行程中的上止點的正時執(zhí)行具有較短時間間隔的三次預(yù)噴射，并進一步在壓縮行程中的上止點附近執(zhí)行一次主噴射。即，總共執(zhí)行四次燃料噴射。各預(yù)噴射相當于前階段噴射。執(zhí)行三次預(yù)噴射以產(chǎn)生具有充足熱釋放率的預(yù)燃燒(相當于前階段燃燒)，以便在壓縮行程中的上止點之前的預(yù)定正時產(chǎn)生熱釋放率的峰值。從而，在主噴射之前、在壓縮行程中的上止點之前增加汽缸內(nèi)的溫度和壓力。然后，當在壓縮行程中的上止點附近(具體地，緊接上止點之前)執(zhí)行主噴射時，在壓縮行程中的上止點附近開始附帶有短點火延遲τ ±的主燃燒。在此，在圖3中所示的示例中，主燃燒的點火延遲τ ±確定為從主噴射開始時至主燃燒的熱釋放率開始增加時的范圍。此外，在此設(shè)定預(yù)噴射和主噴射的噴射模式，以便在當預(yù)燃燒的熱釋放率達到其峰值同時預(yù)燃燒的熱釋放率開始降低之后，主燃燒的熱釋放率開始增加(如下文詳述)，且熱釋放率的最小值存在于預(yù)燃燒和主燃燒的鐘形曲線之間。主燃燒的點火延遲τ ±可確定為從主噴射開始時至該最小值的點的范圍。
從而，通過確保在主噴射之前增加汽缸內(nèi)的溫度和壓力，通過在期望的正時執(zhí)行預(yù)燃燒和主燃燒可縮短主燃燒的點火延遲τ主。此外，通過縮短該點火延遲τ ±，減少了主燃燒的熱釋放率的增加。因此，避免熱釋放率的快速增加減小了燃燒噪聲并有利于改善NVH 性能。在下文中，參考附圖詳細描述了預(yù)燃燒和主燃燒的點火延遲之間的關(guān)系。圖4基于使用化學反應(yīng)模擬軟件分析汽缸內(nèi)壓縮點火(具體地，低溫下的自燃)現(xiàn)象的模擬結(jié)果， 示出在點火延遲為常量的溫度-壓力平面上的由溫度-壓力狀態(tài)的連接點構(gòu)成的等時線的等值線圖的示例，其中該溫度-壓力平面上的橫軸表示汽缸內(nèi)溫度(具體地，壓縮行程末端的溫度)且縱軸表示汽缸內(nèi)壓力(具體地，壓縮行程末端的壓力)。在該等值線圖中，等時線隨著點火延遲變短而向右或向上移動，此外，等時線根據(jù)局部當量比Φ的變化而移動。應(yīng)理解，當量比通常定義為燃料與氧化劑的比率、和化學計量燃料與氧化劑的比率兩者的比值。具體地，等時線隨著局部當量比變低而向右或向上移動，各等時線左方或下方的范圍相應(yīng)地變大，且等時線隨著局部當量比變高而向左或向下移動，各等時線左方或下方的范圍相應(yīng)地變小。例如，在圖4所示的等值線圖中，假定最右上方的等時線為0. 2 msec,當汽缸內(nèi)溫度-壓力狀態(tài)在該0. 2msec的等時線的右方或上方的范圍內(nèi)時(例如，圖4中的空白方塊)， 點火延遲短于0. 2msec,且另一方面，當汽缸內(nèi)溫度_壓力狀態(tài)在等時線的左方或下方的范圍內(nèi)時(例如，圖4中的空白圓圈)，點火延遲長于0. 2msec0圖4中的空白圓圈所示的狀態(tài)是未執(zhí)行預(yù)燃燒時壓縮行程末端的溫度和壓力的示例。該狀態(tài)對應(yīng)于發(fā)動機驅(qū)動時壓縮行程末端的溫度和壓力?？瞻讏A圈位于圖4中較左下方，且表示由于發(fā)動機1的幾何壓縮比設(shè)定在12 :1至15 :1的較低值范圍內(nèi)，點火延遲較長。從而，主燃燒的燃燒噪聲變大且NVH性能下降。因此，為了縮短主噴射噴射的燃料的點火延遲并改善主燃燒的可控性及NVH性能，要求主噴射開始時汽缸內(nèi)溫度-壓力狀態(tài)在例如圖4中的空白方塊所示的0. 2msec的等時線的右上方的范圍內(nèi)。對應(yīng)于汽缸內(nèi)溫度和壓力的增加，預(yù)燃燒將狀態(tài)從空白圓圈處轉(zhuǎn)換到空白方塊處。換言之，預(yù)燃燒通過如圖4中的實線箭頭所示從期望的等時線的左下方的范圍穿過等時線至期望的等時線的右上方的范圍，轉(zhuǎn)換汽缸內(nèi)的狀態(tài)。圖4中的實線箭頭的長度對應(yīng)于預(yù)燃燒產(chǎn)生的熱量。主燃燒的點火延遲τ ±優(yōu)選地設(shè)定在0.1至0. :3msec的范圍內(nèi)(=τ 主-tr)。 長于0. 3msec的點火延遲會導(dǎo)致較陡的主燃燒的熱釋放率的斜率并使NVH性能下降。另一方面，短于0. Imsec的點火延遲使燃料噴射的穿透性下降，從而氣體混合的質(zhì)量下降，并進一步使排放性能降低。在此，發(fā)動機驅(qū)動時壓縮行程末端的溫度和壓力不僅取決于幾何壓縮比，也根據(jù)與發(fā)動機1的操作相關(guān)的環(huán)境條件，例如進氣溫度、大氣壓力(或進氣壓力)、發(fā)動機冷卻劑溫度、有效壓縮比和發(fā)動機負荷而變化。具體地，發(fā)動機驅(qū)動時壓縮行程末端的溫度和壓力 (圖4中的空白圓圈)隨著進氣溫度變高、大氣壓力(或進氣壓力)變高、發(fā)動機冷卻劑溫度變高、有效壓縮比變高或發(fā)動機負荷變高而向右和/或向上移動。另一方面，發(fā)動機驅(qū)動時壓縮行程末端的溫度和壓力(圖4中的空白圓圈)隨著進氣溫度變低、大氣壓力(或進氣壓力)變低、發(fā)動機冷卻劑溫度變低、有效壓縮比變低或發(fā)動機負荷變低而向左和/或向下移動。因此，點火性隨著該圖內(nèi)的位置向左下方移動而劣化，因為壓縮行程末端的溫度和壓力的位置進一步從期望的等時線移動。結(jié)果是，預(yù)燃燒要求的熱量增加。執(zhí)行三次分開的預(yù)噴射改善了預(yù)噴射噴射的燃料的點火性，從而改善了預(yù)燃燒的可控性。即，基于預(yù)燃燒期望產(chǎn)生的熱量確定預(yù)噴射的總噴射量。如果要求的總噴射量通過單次預(yù)噴射供給至汽缸11a，燃料會立即擴散而降低混合氣體的當量比。結(jié)果是，延長了預(yù)燃燒的點火延遲τ Η(見圖3中的(b)圖)。另一方面，通過執(zhí)行三次分開的預(yù)噴射來噴射要求的總噴射量，降低了每單次預(yù)噴射的噴射量。因此，通過間歇地噴射小量燃料，抑制燃料擴散，并局部產(chǎn)生具有高當量比(例如在1 :1至3 :1的范圍內(nèi)的比)的混合氣體。因此， 通過產(chǎn)生具有高當量比的混合氣體，可縮短預(yù)燃燒的點火延遲τ’當預(yù)燃燒的點火延遲 τ ^縮短時，可準確控制預(yù)燃燒的正時。即，可控制預(yù)燃燒以使其熱釋放率的峰值準確產(chǎn)生于壓縮行程中的上止點之前的預(yù)定正時。結(jié)果是，主燃燒可在期望的正時穩(wěn)定地開始。預(yù)燃燒的點火延遲τ ^尤選地設(shè)定為1.5msec或更短。從而，可進一步確保預(yù)燃燒的熱釋放率的峰值在壓縮行程中的上止點之前產(chǎn)生，且有利于改善主燃燒的可控性。圖5A-5C示出了具有不同噴射模式的汽缸Ila中的局部當量比的分布頻率。圖 5A示出了當噴射器18的總噴射孔的數(shù)量為八個且僅執(zhí)行一次噴射時局部當量比的分布頻率。該為1:1或更高的局部當量比Φ的分布頻率低至4.4%。在此情況下，點火性的質(zhì)量較低且點火延遲較長。此外，由于較低的點火性，為了獲得期望的熱量，要求增加燃料噴射量。圖5Β示出了當通過八個噴射孔執(zhí)行三次噴射時局部當量比的分布頻率。該為1 1或更高的局部當量比Φ的頻率為48.6%，且通過增加噴射的次數(shù)改善了點火性。S卩，可以設(shè)想，由于每次噴射的噴射量減少且間歇地噴射燃料，噴射的燃料與先前噴射的燃料以使其彼此碰撞的方式混合并局部增加了當量比。圖5C示出了當噴射器18的總噴射孔的數(shù)量增加至十二個且執(zhí)行三次噴射時局部當量比的分布頻率。在此情況下，該為1:1或更高的局部當量比φ的分布頻率為60.4%， 從而通過增加噴射孔也改善了點火性。從而，考慮到通過預(yù)噴射增加局部當量比以改善預(yù)燃燒的可控性，增加噴射次數(shù)是更有利的；然而，可以預(yù)料到，如果預(yù)噴射的次數(shù)太多，則不能獲得噴射之間的充足時間間隔，且當量比未充分增加。因此，預(yù)噴射的次數(shù)優(yōu)選為最大約三次。此外，考慮到通過預(yù)噴射增加局部當量比以改善預(yù)燃燒的可控性，增加噴射器18的噴射孔的數(shù)量是更有利的； 然而，由于各噴射孔的較小直徑導(dǎo)致噴射的到達距離隨著噴射孔的數(shù)量變多而變短，噴射器的噴射孔的數(shù)量優(yōu)選為在八個至十二個之間。在各汽缸中，多次預(yù)噴射是在各預(yù)噴射噴射的燃料的全部到達腔內(nèi)(即燃燒室1 內(nèi))的正時執(zhí)行。該正時包括在活塞14向著壓縮行程上止點上升時通過噴射器18噴射的燃料直接到達該腔內(nèi)的正時，和通過噴射器18噴射的燃料到達例如腔的唇部并在腔的外部流動但在活塞14到達壓縮行程中的上止點附近時流入該腔的正時。從而，局部產(chǎn)生的具有高當量比的全部混合氣體流入腔中，進一步縮短預(yù)燃燒的點火延遲τ Η，并進一步改善預(yù)燃燒的可控性。圖6是示出當發(fā)動機1處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中時根據(jù)正常條件中的發(fā)動機1的工作狀態(tài)的燃燒模式的區(qū)域圖。在該區(qū)域圖中負荷附近的工作范圍C (擴散燃燒(三次預(yù)噴射))對應(yīng)于圖3中所示的燃料噴射模式。在工作范圍C內(nèi)，如上所述，執(zhí)行三次預(yù)噴射，從而，如圖3中的(b)圖所示，在壓縮行程中的上止點之前產(chǎn)生預(yù)燃燒的熱釋放率的峰值。從而，在通過增加汽缸內(nèi)溫度和壓力縮短點火延遲τ ±的汽缸內(nèi)環(huán)境下，通過將主噴射的正時設(shè)定為在壓縮行程中的上止點附近的合適正時，可以在壓縮行程中的上止點附近準確地開始主燃燒。從而，可改善燃料消耗和耐失火性。此外，由于縮短的點火延遲，主燃燒的熱釋放率的斜率變緩且NVH性能改善。在此作為示例，汽缸Ila的狀態(tài)由圖7中的等值線圖表示。在此，考慮到控制的穩(wěn)健性(robustness)，壓縮行程末端的溫度和壓力通過預(yù)燃燒從驅(qū)動時的狀態(tài)(見圖7中的空白圓圈)充分增加，從而，點火延遲τ ±調(diào)節(jié)為短于目標點火延遲τ主_tr (見圖7中的空白方塊)。在下文中，參考圖8詳細描述預(yù)噴射的噴射量的優(yōu)選設(shè)定。圖8是示出了與預(yù)燃燒的噪聲(橫軸)相關(guān)的參數(shù)(例如，dP/d θ )和通過包括預(yù)噴射和主噴射的總噴射量(縱軸) 之間的關(guān)系的曲線圖，三條線具有彼此不同的預(yù)噴射量。在圖8中，預(yù)燃燒的燃燒噪聲(噪聲)向右變大，向左變小。圖8中的粗垂直實線是燃燒噪聲的最大允許值，該值左邊的范圍是燃燒噪聲允許的范圍。各線具有向右上方上升的特性，并表示預(yù)燃燒的燃燒噪聲隨著總噴射量增大而變大。此外，當保持總噴射量相同比較不同預(yù)噴射量時，預(yù)燃燒的燃燒噪聲隨著預(yù)噴射量增大而變大。因此，如圖7等所示，預(yù)噴射量的最小值可基于從驅(qū)動時壓縮行程末端的溫度和壓力的狀態(tài)移向超出目標點火延遲τ主_tr的狀態(tài)所要求的熱量設(shè)定，且考慮穩(wěn)健性，可在預(yù)燃燒的燃燒噪聲不超出允許值的范圍內(nèi)確定預(yù)噴射量的最大值。在圖6的區(qū)域圖中，對比于工作范圍C內(nèi)的負荷，在工作范圍D內(nèi)的發(fā)動機負荷較高，預(yù)噴射的次數(shù)減少到兩次。即，預(yù)噴射結(jié)合主噴射的總次數(shù)為三次。對應(yīng)于該較高發(fā)動機負荷汽缸內(nèi)溫度和壓力增加，且預(yù)噴射噴射的燃料的點火延遲傾向于變短(見圖4中向右上方延伸的虛線箭頭)。因此，即使在預(yù)噴射的次數(shù)減少時，仍能執(zhí)行預(yù)燃燒同時準確控制該預(yù)燃燒，從而，可以縮短主燃燒的點火延遲。在具有高發(fā)動機負荷的工作范圍E (包括發(fā)動機全負荷范圍)內(nèi)，預(yù)噴射的次數(shù)減少到一次，且預(yù)噴射結(jié)合主噴射的總次數(shù)為兩次。因此，燃料消耗和NVH性能兩者都得以改善。此外，在發(fā)動機全負荷范圍內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速相對較高的工作范圍F內(nèi)，省略了預(yù)噴射，僅執(zhí)行主噴射。在具有低發(fā)動機負荷的工作范圍A內(nèi)，替代主要包括擴散燃燒的主燃燒，執(zhí)行預(yù)混合燃燒而不執(zhí)行主噴射。在預(yù)混合燃燒的噴射模式(未圖示)中，在壓縮行程中以較早的正時噴射燃料到汽缸Ila中，且在燃料點燃之前完成燃料噴射。例如通過劃分總?cè)剂蠂娚淞繄?zhí)行多次燃料噴射。在該劃分的噴射中，在較早的正時噴射的燃料噴射量可相對較大，在較晚的正時噴射的燃料噴射量可相對較小。在早期噴射盡可能多的燃料提高了燃料的預(yù)混合水平。噴射的燃料從而在該燃料與空氣充分混合的狀態(tài)下在壓縮行程中的上止點附近自燃，從而燃燒。在預(yù)混合燃燒中，在燃料的點燃之前可產(chǎn)生燃料均勻混合的氛圍，從而，抑制了燃料的不完全燃燒和黑煙的產(chǎn)生，同時具有較低的燃料-空氣比。在發(fā)動機負荷高于執(zhí)行預(yù)混合燃燒的范圍A內(nèi)的負荷但低于工作范圍C內(nèi)的負荷的工作范圍B內(nèi)，即使通過執(zhí)行多次預(yù)噴射改善了燃料點火性，由于在驅(qū)動時壓縮行程末端的溫度和壓力較低，不能充分縮短預(yù)燃燒的點火延遲τ 且如圖9的(b)圖所示，預(yù)燃燒的熱釋放率的峰值出現(xiàn)在壓縮行程中的上止點之后。因此，不能類似于工作范圍C內(nèi)的圖3中的噴射模式，通過將主噴射的噴射正時設(shè)定在壓縮行程中的上止點附近來縮短主燃燒的點火延遲τ±。因此，在預(yù)燃燒的點火延遲τ ^較長的工作范圍B內(nèi)，如圖9的(a)圖所示，主噴射的正時延遲到在壓縮行程中的上止點之后。在此，延遲主噴射的曲軸轉(zhuǎn)角可為提前設(shè)定的預(yù)定曲軸轉(zhuǎn)角。從而，主燃燒的點火延遲τ主達到在0. 1至0. 3msec之間的目標點火延遲τ主_tr， 且在當預(yù)燃燒的熱釋放率達到其峰值同時預(yù)燃燒的熱釋放率開始降低之后，主燃燒的熱釋放率開始增加。即，在工作范圍B和C之間，包括預(yù)燃燒和主燃燒的熱釋放率的波形實質(zhì)上相同，并因此有利于在主燃燒中改善NVH性能。在工作范圍B內(nèi)預(yù)噴射的噴射量可基于例如圖10中的等值線圖設(shè)定。即，如上所述，要求將壓縮行程中的上止點之后的預(yù)定正時的點火延遲τ ±設(shè)定為在工作范圍B內(nèi)的目標點火延遲τ ，以在壓縮行程中的上止點之后的預(yù)定正時開始主燃燒。同時，在壓縮行程中的上止點之后的膨脹行程中，活塞14下降， 汽缸內(nèi)溫度和壓力逐漸降低。因此，考慮到如圖10中的虛線箭頭所示的汽缸內(nèi)溫度和壓力的降低，(參見圖10中的實線空白方塊)提前設(shè)定預(yù)燃燒的熱量。從而，(參見圖10中的虛線空白方塊)在壓縮行程中的上止點之后的預(yù)定正時汽缸內(nèi)溫度和壓力可達到具有目標點火延遲τ主_tr的狀態(tài)。應(yīng)注意，除了當發(fā)動機1在正常條件下處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中外，例如當外部空氣溫度為0°C或更低時，或當海拔為IOOOm或更高時，也可執(zhí)行這種燃燒控制。外部空氣溫度可通過外部空氣溫度傳感器檢測，海拔可通過海拔傳感器檢測。即，替代根據(jù)基于圖6所示的發(fā)動機1的轉(zhuǎn)速和負荷的區(qū)域圖執(zhí)行控制，可根據(jù)與發(fā)動機1的操作相關(guān)的環(huán)境條件執(zhí)行該燃燒控制。此外，除了當發(fā)動機1在正常條件下時，例如在從燃料切斷狀態(tài)恢復(fù)的瞬時狀態(tài)期間汽缸Ila的壁溫度較低、燃料點火性傾向于降低的條件下，也可執(zhí)行該燃燒控制。在通過PCM 10控制發(fā)動機1中，除了使用與發(fā)動機1的工作狀態(tài)相關(guān)的圖6中的區(qū)域圖外，可使用與點火延遲相關(guān)的圖7中的等值線圖(區(qū)域圖)。即，利用提前存儲在PCM 10中的圖7中的等值線圖，可基于例如從各傳感器獲得的至少含有進氣溫度、進氣壓力(或大氣壓力)、發(fā)動機冷卻劑溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和燃料的噴射壓力的參數(shù)評估壓縮行程末端的汽缸內(nèi)溫度和壓力，也可基于圖7中的等值線圖設(shè)定實現(xiàn)目標點火延遲(即，τ 所要求的預(yù)噴射和主噴射的噴射模式。從而，可以根據(jù)設(shè)定的噴射模式執(zhí)行預(yù)噴射和主噴射。替代使用圖7中的等值線圖的控制，將預(yù)設(shè)的模型公式提前存儲在PCM 10中，且可利用例如從各傳感器獲得的至少含有進氣溫度、進氣壓力(或大氣壓力)、發(fā)動機冷卻劑溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和燃料的噴射壓力的參數(shù)，基于該模型公式設(shè)定實現(xiàn)目標點火延遲所要求的預(yù)噴射和主噴射的噴射模式。從而，可以根據(jù)設(shè)定的噴射模式執(zhí)行預(yù)燃燒和主燃燒。通過采用使用等值線圖或模型公式的控制，當延遲主噴射的正時時(例如，在工作范圍B內(nèi))，不會按照提前設(shè)定的預(yù)定角度一律地延遲主噴射，而能夠僅按照對應(yīng)于預(yù)燃燒的點火延遲的角度延遲主噴射，從而，有利于改善燃料消耗。因此，在該實施例中，通過劃分預(yù)噴射燃料量和執(zhí)行多次預(yù)噴射可產(chǎn)生具有高當量比的混合氣體。結(jié)果是，縮短了預(yù)燃燒的點火延遲τ預(yù)(例如τ預(yù)彡1.5msec)，并改善了預(yù)燃燒的可控性。具體地，可產(chǎn)生具有高精度的預(yù)燃燒，以在壓縮行程中的上止點之前的預(yù)定正時產(chǎn)生熱釋放率的峰值。
從而，通過改善預(yù)燃燒的可控性可提高主燃燒的穩(wěn)健性。即，通過在上述正時準確執(zhí)行預(yù)燃燒，可在壓縮行程中的上止點附近執(zhí)行主噴射時提前增加汽缸內(nèi)溫度和壓力。特別地，通過形成在壓縮行程中的上止點之前產(chǎn)生預(yù)燃燒的熱釋放率的峰值且在壓縮行程中的上止點附近熱釋放率是處于下降過程的狀態(tài)，在壓縮行程中的上止點附近汽缸內(nèi)溫度和壓力可提前設(shè)定至適于產(chǎn)生無延遲的主燃燒的狀態(tài)。因此，通過在執(zhí)行主噴射時增加汽缸內(nèi)溫度和壓力，主燃燒的點火延遲τ主可設(shè)定為0. 1彡τ主彡0. :3msec，且可穩(wěn)定地產(chǎn)生主燃燒。結(jié)果是，可改善主燃燒的可控性。具體地，可在期望的正時穩(wěn)定地產(chǎn)生主燃燒。在此，期望的正時優(yōu)選地在壓縮行程中的上止點附近。通過在壓縮行程中的上止點附近開始主燃燒，主燃燒的燃燒能量可有效地傳遞至曲軸15并改善燃料消耗。此外，通過縮短點火延遲，可控制主燃燒的熱釋放率的斜率和峰值。例如，通過減緩燃料噴射速度以延長噴射時期，可使熱釋放率的斜率變緩并可降低熱釋放率的峰值，結(jié)果是，可改善NVH的性能。該實施例的發(fā)動機1具有幾何壓縮比在12 1至15 1的范圍內(nèi)的相對低的壓縮比，因此，在驅(qū)動時發(fā)動機1內(nèi)的溫度和壓力較低。即，主燃燒的點火延遲傾向于較長。在預(yù)燃燒中發(fā)動機1內(nèi)的溫度和壓力甚至更低，因為預(yù)燃燒產(chǎn)生在壓縮行程中的上止點之前， 考慮到點火延遲，這是不利的。因此，在上述正時執(zhí)行多次預(yù)噴射對于這種具有低壓縮比的發(fā)動機特別有效。應(yīng)注意，預(yù)噴射的次數(shù)和正時不受限于上述實施例，且可根據(jù)例如發(fā)動機1的工作狀態(tài)而適當?shù)馗淖?。此外，在上述實施例中，在發(fā)動機1處于未預(yù)熱完的狀態(tài)中時或在停用電熱塞19 時，執(zhí)行多次預(yù)噴射與主噴射結(jié)合的特定的燃燒控制；然而，在發(fā)動機處于冷狀態(tài)或極冷狀態(tài)中時可在操作電熱塞19的情況下進一步執(zhí)行該燃燒控制。在此情況下，通過結(jié)合電熱塞 19和燃燒控制，進一步改善了燃料的點火性，且可相應(yīng)地抑制電熱塞19的操作?？刂齐姛崛?9有利于實現(xiàn)其較長的使用壽命。 如上所述，本發(fā)明能夠有效地應(yīng)用于具有低壓縮比的柴油發(fā)動機。
應(yīng)理解，本文所述實施例是示例性的而非限制性的，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求而非說明書限定，且落入權(quán)利要求的界限和范圍內(nèi)的所有變化或這些界限和范圍的等價物應(yīng)理解包含在權(quán)利要求內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種柴油發(fā)動機，包括供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的發(fā)動機本體；設(shè)置在所述發(fā)動機本體中朝向所述發(fā)動機本體的汽缸并直接噴射燃料到所述汽缸中的燃料噴射閥；及控制通過所述燃料噴射閥噴射所述燃料到所述汽缸中的模式的控制模塊；所述控制模塊執(zhí)行主噴射使所述噴射的燃料產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒，并在所述主噴射之前執(zhí)行多次前階段噴射使所述噴射的燃料在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒； 且所述控制模塊控制所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便在當所述前階段燃燒的熱釋放率達到峰值同時所述前階段燃燒的熱釋放率開始降低之后，所述主燃燒的熱釋放率開始增加。
2.一種柴油發(fā)動機，包括供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的發(fā)動機本體；設(shè)置在所述發(fā)動機本體中朝向所述發(fā)動機本體的汽缸并直接噴射燃料到所述汽缸中的燃料噴射閥；及控制通過所述燃料噴射閥噴射所述燃料到所述汽缸中的模式的控制模塊；所述控制模塊執(zhí)行主噴射使所述噴射的燃料產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒，并在所述主噴射之前執(zhí)行多次前階段噴射使所述噴射的燃料在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒； 且所述控制模塊控制所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便通過經(jīng)所述前階段燃燒增加所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力，使從所述主噴射開始至所述主燃燒開始的點火延遲在0. 1至0. 3msec的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的柴油發(fā)動機，其特征在于，所述控制模塊控制所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式，以使所述前階段燃燒的熱釋放率在壓縮行程上止點之前達到峰值，且所述主燃燒在所述壓縮行程上止點附近開始。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的柴油發(fā)動機，其特征在于，各前階段噴射在噴射的燃料到達安裝到所述汽缸中的活塞的頂面形成的腔內(nèi)的正時執(zhí)行。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的柴油發(fā)動機，其特征在于，還包括連接到所述汽缸的電熱塞；當所述發(fā)動機本體低于預(yù)定的第一溫度時，所述控制模塊進一步操作所述電熱塞，當所述發(fā)動機本體高于所述第一溫度且低于預(yù)定的第二溫度時，所述控制模塊停用所述電熱塞并執(zhí)行所述多次前階段噴射和所述主噴射。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的柴油發(fā)動機，其特征在于，所述控制模塊通過使用基于所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)和與所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)相關(guān)的環(huán)境條件評估所述壓縮行程末端的所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力而計算的所述點火延遲的模型、確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的柴油發(fā)動機，其特征在于，所述控制模塊通過使用表示基于所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)和與所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)相關(guān)的環(huán)境條件的所述壓縮行程末端的所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力的狀態(tài)與在所述溫度和壓力的狀態(tài)下的點火延遲之間的關(guān)系的區(qū)域圖、確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式。
8.—種控制具有直接供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料的汽缸，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的柴油發(fā)動機的方法當所述發(fā)動機處于預(yù)定工作狀態(tài)中時，執(zhí)行使產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒的主噴射，并執(zhí)行使在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒的前階段噴射；確定所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便在當所述前階段燃燒的熱釋放率達到峰值同時所述前階段燃燒的熱釋放率開始降低之后，所述主燃燒的熱釋放率開始增加；根據(jù)確定的噴射模式在壓縮行程中執(zhí)行多次所述前階段噴射；且根據(jù)確定的噴射模式在所述前階段噴射后執(zhí)行所述主噴射。
9.一種控制具有直接供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料的汽缸，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的柴油發(fā)動機的方法當所述發(fā)動機處于預(yù)定工作狀態(tài)中時，執(zhí)行使產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒的主噴射，并執(zhí)行使在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒的前階段噴射；確定所述前階段噴射的噴射模式和所述主噴射的噴射模式，以便通過經(jīng)所述前階段燃燒增加所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力，使從所述主噴射開始至所述主燃燒開始的點火延遲在 0. 1至0. 3msec的范圍內(nèi)；根據(jù)確定的噴射模式在壓縮行程中執(zhí)行多次所述前階段噴射；且根據(jù)確定的噴射模式在所述前階段噴射后執(zhí)行所述主噴射。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式，以使所述前階段燃燒的熱釋放率在壓縮行程上止點之前達到峰值，且所述主燃燒在所述壓縮行程上止點附近開始。
11.如權(quán)利要求8至10中任一項所述的方法，其特征在于，各前階段噴射在噴射的燃料到達安裝到所述汽缸中的活塞的頂面形成的腔內(nèi)的正時執(zhí)行。
12.如權(quán)利要求8至11中任一項所述的方法，其特征在于，當所述發(fā)動機低于預(yù)定的第一溫度時，操作電熱塞；且當所述發(fā)動機高于所述第一溫度且低于預(yù)定的第二溫度時，停止所述電熱塞的操作并執(zhí)行所述多次前階段噴射和所述主噴射。
13.如權(quán)利要求8至12中任一項所述的方法，其特征在于，通過使用基于所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)和與所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)相關(guān)的環(huán)境條件評估所述壓縮行程末端的所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力而計算的所述點火延遲的模型、確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式。
14.如權(quán)利要求8至12中任一項所述的方法，其特征在于，通過使用表示基于所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)和與所述發(fā)動機本體的工作狀態(tài)相關(guān)的環(huán)境條件的所述壓縮行程末端的所述汽缸內(nèi)的溫度和壓力的狀態(tài)與在所述溫度和壓力的狀態(tài)下的點火延遲之間的關(guān)系的區(qū)域圖、確定所述前階段噴射和所述主噴射的噴射模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及柴油發(fā)動機及控制該柴油發(fā)動機的方法。本發(fā)明的柴油發(fā)動機包括供給有包含柴油燃料作為其主要成分的燃料，且?guī)缀螇嚎s比設(shè)定在15:1以下的發(fā)動機本體；設(shè)置在所述發(fā)動機本體中朝向所述發(fā)動機本體的汽缸并直接噴射燃料到所述汽缸中的燃料噴射閥；及控制通過所述燃料噴射閥噴射所述燃料到所述汽缸中的模式的控制模塊。所述控制模塊執(zhí)行主噴射使所述噴射的燃料產(chǎn)生主要包括擴散燃燒的主燃燒，并在所述主噴射之前執(zhí)行多次前階段噴射使所述噴射的燃料在所述主燃燒之前產(chǎn)生前階段燃燒。所述控制模塊控制所述噴射的噴射模式，以調(diào)節(jié)熱釋放率。
文檔編號F02D41/38GK102312745SQ20111017624
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者丸山慶士, 名越匡宏, 志茂大輔, 森永真一, 皆本洋, 西本京太郎, 金尚奎, 鐵野雅之 申請人:馬自達汽車株式會社