专利名称：用于柴油机的控制装置和控制方法以及柴油机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种柴油机，尤其是涉及燃料喷射定时(timing)和EGR再循环量的控制。
在JP-A-8-218920(US5,732,554)中，公开了一种从设置在柴油机排放系统中的NOx吸附物质上排出NOx的技术。在吸入冲程喷射燃料，并且将大量的EGR气体引入，以便将过剩空气率降低到1.0或者低于1.0，从而释放(exhausting)NOx。将燃烧状态改变为预先混合料燃烧，在其中，喷射的燃料得以扩散，并且在压缩的上死点(top dead center)之前被蒸发，和空气预先混合且燃烧，从而燃料的灰烬较小可能地增加，致使EGR比率的上限值升高。这样，可以假设烟雾和NOx两者均会减少。
另一方面，JP-B-3116876(US5,937,639)公开了一种技术，当在诸如低负载条件下的预定区域内烟雾排出量趋于减少时，该技术用于控制EGR比率，以便同时减少烟雾和NOx。应注意，如果EGR比率增加到上限值之上，那么烟雾排出量在快速增加到峰值之后趋于降低。
然而，对于第一种技术，因为从吸入冲程的燃料喷射到在压缩冲程内的点火有一较长的间隔，所以就有点火时机变化的问题，很可能导致诸如提前点火或者点火延迟之类的点火失败以及稳定性的恶化。还有，在吸入过程喷射的一部分燃料在汽缸内扩散，并且堆积在汽缸壁上，以引起油稀释，并且不能像在压缩的上死点(top dead center)的定时(timing)上喷射的燃料一样，被收集在活塞的空腔内，从而引起碳氢化合物(HC)或者一氧化碳(CO)快速增加的问题。
还有，对于第二种技术，当控制模式在预定区域和其他区域之间变换时，出现烟雾排出量的峰值。这样，就存在在每次模式变换时烟雾排出量必然快速瞬时增加的问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于柴油机的控制装置，其中，将燃料喷入发动机的燃烧室的燃料喷射部分的燃料喷射定时(timing)设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在显示增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔跑出并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，并且操作用于调节从发动机排出进入进气系统的排放气体的再循环量的EGR比率调节部分，以同时减少从发动机排出的烟雾排出量和NOx排出量。
根据喷射定时可以改变对于EGR比率的烟雾排出特性。图5画出了在一定工作范围内改变燃料喷射定时(timing)的测试结果的例子。如果和应用于典型柴油机的10°BTDC相比，燃料喷射定时(timing)提前到20°BTDC，那么由于EGR比率增加的烟雾排出量显示出直到峰值的增加趋势，以及之后降低的趋势。在这种情况下，如果过剩空气率和EGR比率一起改变，那么烟雾排出量会超过峰值，从而避免烟雾排出量的快速瞬间的增加是不可能的。与此相反，在喷射定时进一步提前的36°BTDC中，即使EGR比率增加，烟雾排出量被抑制到较低值，并且通过高的EGR比率抑制NOx排出量，从而烟雾和NOx同时减少，并且因为没有形成烟雾排出量的峰值，所以抑制了烟雾的瞬时增加。
在这种方式下，通过将喷射定时提前，因为从燃料喷射到点火的时间段被延长，促进了喷射的燃料和进入的空气的预先混合，从而抑制了烟雾排出量。例如，在吸入冲程喷射中，不要将喷射定时过分地提前，从而在接近压缩上死点的预定时间上确定地点燃喷射的燃料，并且能够实现稳定的操作，没有点火失败。
另一方面，图6表示通过在与图5中相同的工作范围内改变喷射定时来测定THC排出量和稀释燃料量的测量结果。如果喷射定时提前，那么从40°BTDC左右开始THC就增加，并且混合进入发动机油的燃料量增加，导致油稀释的危险。
考虑到上面的主要原因，如果将燃料喷射定时设定为当对于EGR比率的增加，烟雾排出特性呈现增加趋势且之后呈现减少趋势时，设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从在活塞内形成的空腔跑出并且到达汽缸壁表面时，设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，可以防止由于过分提前带来的THC增加或者油稀释的问题，并且能够增加EGR比率的上限值，从而抑制烟雾的排出。并且由于根据该EGR比率由EGR调节装置来控制排放气体的再循环量，能够同时减少烟雾排出量和NOx排出量。
在一优选形式中，喷射定时随着发动机转速的增加而提前。
在这种情况下，如果活塞速度和发动机转速一起增加，那么喷射的燃料进入空腔的定时相对地发生较早。因此，为了在合适的时间将喷射的燃料带入空腔，需要加快燃料的喷射，直到活塞位置仍在低位的时间。因此，如果随着发动机转速的增加将喷射定时提前，那么喷射的燃料总是在合适的时间被带入活塞的空腔，而不管发动机的转速，从而能够实现与烟雾和NOx一致的燃烧状态。
还有，理想的是，相对于负载的改变，将喷射定时保持为几乎恒量。
在这种情况下，由于喷射定时对发动机负载的依赖性低于对发动机转速的依赖性，如果对于负载的变化将喷射定时保持为几乎恒量，那么能够稳定地实现与烟雾和NOx相一致的燃烧状态，而不受发动机负载变化的影响。
较好地，控制EGR比率调节装置的运转，从而EGR比率可以是50％或者更大，并且过剩空气率可以是1.0或者更大。
这样，如果EGR比率为50％或者更大，由于大量的EGR能够有效地减少NOx，而且如果过剩空气率为1.0或者更大，能够有效地抑制HC或者CO的排放。结果，能够改善综合的喷射排出排放特性。
当将具有氧化功能的催化剂设置在排放系统中时，较好地是，当催化剂失去活性时，禁止实施本发明或者第一控制模式。
因此，在第一控制模式中大量的EGR导致过剩空气的减少，从而HC或者CO的排出量趋于增加，但是由于催化剂的氧化功能将确定地净化排放的HC或者CO。另一方面，当催化剂失去活性时，禁止实施第一控制模式，从而伴随着较少的EGR量，从发动机排放的HC或者CO得以减少，因此防止HC或者CO的排放。
此外，当提供第二控制模式时，在其中，喷射定时设定在接近压缩的上死点，从而延迟到第一控制模式之后，并且EGR比率低于在第一控制模式中的比率，当根据发动机的工作状况在第一控制模式和第二控制模式之间变换时，在EGR比率逐渐改变的EGR比率变化期间的中间短暂地将喷射定时变换。
在第一控制模式时，尽管防止了如前所述的HC或者CO增加以及油稀释的问题，抑制烟雾排放的EGR比率的上限值升高了，从而能够同时减少烟雾的排出量和NOx的排出量。
还有，在第二控制模式中，和第一控制模式对比，因为喷射定时被延迟，并且EGR比率较小，模式变换装置将控制模式变换为第二控制模式，从而适应在具有来自驱动器的高输出要求的工作状况中的输出要求。
另一方面，当由模式变换装置变换控制模式时，由于排放气体的再循环，EGR比率逐渐改变，但是如果根据该变化的特性逐渐改变喷射定时，那么，在喷射定时和EGR比率位于快速增加烟雾的范围内的状态中，烟雾可以暂时地增加。
例如，图4表示测试结果，其中在与图5中相同的工作范围内将喷射定时进一步细分。在图4中，用符号●表示IT(喷射时间)＝8°BTDC的特征。按照相同的方式，符号○表示10°BTDC的特征，符号▲表示12°BTDC的特征，符号△表示14°BTDC的特征，符号×表示16°BTDC的特征，符号*表示20°BTDC的特征，符号◆表示24°BTDC的特征，符号◇表示28°BTDC的特征，符号●表示32°BTDC的特征，符号□表示36°BTDC的特征。
在图4中，用较大符号●表示第二控制模式，其中燃料喷射定时设定在8°BTDC，EGR比率Regr设定在45％，并且过剩空气率控制为1.8左右。相反地，用较大符号□表示第一控制模式，其中燃料喷射定时设定在较远提前一侧的36°BTDC，EGR比率Regr设定在56％，从而过剩空气率λ控制为1.0或者在略为贫乏的一侧。
当燃料喷射定时设定在在过剩空气率λ从1.0到1.8短暂范围内从14到32°BTDC的某一处时，发生一种现象，即噪音将主要在贫乏一侧(1ean side)增加，或者烟雾主要在富裕一侧(rich side)增加。因此，噪音和烟雾是不一致的。因此，当在第一控制模式和第二控制模式之间变换控制模式时，如果燃料喷射定时根据图4中的虚线变化，那么就必定通过14到32°BTDC的范围，从而避开噪音和烟雾快速增加的区域是不可能的。
相反地，当燃料喷射定时设定在8或者10°BTDC时，在从过剩空气率λ为大约1.3开始的贫乏一侧的区域内，噪音和烟雾能够降低。另一方面，当燃料喷射定时设定在36°BTDC时，在从过剩空气率λ为大约1.3开始的富裕一侧的区域内，噪音和烟雾能够下降。因此在该例子中，可以在过剩空气率λ＝1.3时暂时地改变喷射定时，如图4中实线所示。
在上面的例子中，由于在EGR比率逐渐改变的EGR比率变化期间的中间，将喷射定时短暂地变换，所以能够变换控制模式，从而越过(pass over)烟雾快速增加的区域。结果，事先避免在EGR比率变化期间烟雾的暂时增加是可能的。
当发动机的工作范围处于低负载区域时，优选实施第一控制模式，从而，即使在由于大量的EGR而降低空气量的情况下，能够进行控制，而没有在所需要的燃料量较少的低负载区域内的麻烦。
在另一优选形式中，发动机具有在排放系统中用于将NOx吸附的NOx催化剂，优选的是控制燃料喷射装置和EGR比率调节装置的运转，从而可以使燃料喷射定时几乎等于第一控制模式的喷射定时，并且在从NOx催化剂中净化NOx的时间上，过剩空气率可以小于1.0。
这样，当对于EGR比率的增加，烟雾排出特性显示增加趋势并且之后显示下降趋势时，燃料喷射定时设定在从喷射定时开始的火花提前一侧，从而将烟雾排出量保持在低水平的EGR比率的范围能够延伸。另外，由于控制EGR比率调节装置的运转，致使过剩空气率可以是1.0或者更小，EGR比率能够增加，而不用担心烟雾排出量，从而有效地排出和减小来自吸附到催化剂的NOx中的NOx。
图4是一特性图，说明在正常燃烧模式和低NOx燃烧模式下燃料喷射定时IT和EGR比率Regr的控制情况，以及当燃料喷射定时设定在8到36°BTDC时测量THC排出量、NOx排出量、噪音和烟雾排出量的测试结果；图5是一特性图，表示出了当燃料喷射定时为10、20和36°BTDC时从图4中摘录的测试结果；图6是一特性图，表示出了测量THC排出量和稀释燃料量的测试结果；图7是一流程图，说明由第二实施例中的ECU执行的燃烧模式的变换程序。
图1是根据第一实施例的柴油机的整体结构图。在图1中，示出了柴油机的单个汽缸，其中，设置在汽缸体1内的活塞2通过一连杆3连接到曲轴(未示出)上。在发动机的汽缸盖4中，将燃料喷射阀5设置成面对汽缸且进入汽缸，并且连接到每个汽缸公用的公用给油管(common rail)6上。一燃料泵7连接到公用给油管6上，从而将从燃料泵7供给的高压燃料储存在公用给油管6中。
在接近压缩上死点的一预定定时将燃料喷射阀5打开，以便将在公用给油管6内的高压燃料从燃料喷射阀5喷到在活塞头部内的空腔2a，并且在压缩空气中点火燃烧，从而向下推动活塞2(燃料喷射部分)。共轨系统(common railsystem)的结构是公知的，在此不再详细描述。通过控制燃料喷射阀5的打开状态，可以任意设定燃料喷射量和喷射定时。
通过形成在汽缸盖4内的吸入口将每个汽缸连接到公用吸入通道9。在吸入通道9内，按照从吸入通道9的上游一侧开始的顺序，设有空气清洁器10、涡轮增压器(turbo charge)11的压缩机11a和吸入节流阀12。还有，通过汽缸盖4的排放口13将每个汽缸连接到公用排放通道14。在排放通道14内，按照从排放通道14的上游一侧开始的顺序，设有排放节流阀15、和压缩机11a同轴设置的涡轮增压器11的涡轮11b、吸附NOx的催化剂16、氧化催化剂17以及噪音消除器(未示出)。吸附NOx的催化剂16具有这样的功能当发动机的排放空气-燃料比率是贫乏时吸附在排放气体中NOx，并且当发动机的排放空气燃料比率是富裕的或者化学计量(stoichiometoric)(HC或者CO存在于排放气体中)时释放并供给所吸附的NOx。氧化催化剂17具有氧化和净化在排放气体中的HC或者CO的功能。
通过空气净化器10被引入吸入通道的吸入空气由压缩机11a增压，当每个汽缸的吸入阀18打开时其被引入汽缸，通过活塞2的上升被压缩，并且用于燃烧，如上所述。燃烧后的排放气体被排放进入排放通道14，当排放阀19打开时，能够驱动涡轮11b，然后通过NOx催化剂16和氧化催化剂17，从而经过噪音消除器排放到大气中。
EGR通道23具有连接到吸入通道9内位于吸入节流阀12下游位置的一端，以及连接到排放通道14内的排放节流阀15上游位置的另一端，EGR通道23设置有一EGR阀21和EGR冷却器25。形成通过EGR通道23的从排放通道14到吸入通道9的EGR再循环。当EGR阀21打开时，由EGR冷却器25冷却过的排放气体经过EGR通道23流回。此时的EGR比率可以根据EGR阀21的打开状态、由吸入节流阀12对吸入空气的限制以及由排放节流阀15对排放气体的限制(EGR比率调整部分)来适当地调整。
一ECU(电气控制单元)31安装在舱室(compartment)内。ECU包括输入输出装置，诸如ROM或者RAM之类的用于储存控制程序和控制图形的存储装置，中央处理单元(CPU)，和计时器。在ECU31的输入一侧，连接各种类型的传感器，包括用于感觉加速器运转量APS的加速器传感器32、用于感觉发动机转速Ne的转速传感器33。在输出一侧，连接各种装置，包括燃料喷射阀5、吸入节流阀12、排放节流阀15，以及EGR阀21。
ECU31基于加速器操作量APS和发动机转速Ne从图形(未示出)中计算出燃料喷射量Q，并且基于发动机转速Ne和燃料喷射量Q从图形中计算出燃料喷射定时IT，并且根据这些计算出的值控制燃料喷射阀5。
还有，ECU31基于已计算出的发动机转速Ne和燃料喷射量Q的值从图形(未示出)中计算出目标过剩空气率λtgt。基于目标过剩空气率λtgt和实际的过剩空气率λ，ECU31进行再循环控制，用于EGR阀21的打开状态(亦即EGR比率Regr)，从而使实际的过剩空气率λ等于目标过剩空气率λtgt。实际的过剩空气率λ可以根据新进入的空气量和燃料喷射量Q来计算，在新进入的空气量中，在EGR气体中剩余氧气量的估计值被加到由气流传感器的输出(未示出)得到的进入空气量上。实际的过剩空气率λ可以从设置在排放通道14内的线性空气-燃料比率传感器的输出获得。
在本实施例的柴油机中，可以根据发动机的工作状况变换燃烧模式，从而大大地改变燃料喷射定时IT。下面描述燃烧模式的变换。
图2是一流程图，表示由ECU31进行的燃烧模式变换过程。首先，在步骤S2，ECU31根据冷却水的温度确定是否完成了发动机的预热(warmingup)。接着，在步骤S4，ECU31基于燃料喷射量Q和发动机转速Ne，并且根据在图3中示出的图形，确定目前的工作范围是否在一预定的特定范围内。该特定范围设定在低负载和低转速的范围，在该范围，燃料喷射量Q(与发动机负载相关)和发动机转速Ne等于或者小于预定值Q0和Ne0。
如果在步骤S2或者S4判定为NO(否定)，那么程序传递到步骤S6，在此执行正常的燃烧模式(第二控制模式)，之后程序结束(第二控制方式)。如果在步骤S2和S4的每一步判定均为YES(肯定)，那么程序进行到步骤S8，在此执行低NOx的燃烧模式(第一控制模式)，之后程序结束(第一控制方式)。
正常的燃烧模式是一种产生和典型柴油机实行的控制相同的控制模式，而低NOx燃烧模式是本发明的特点。
图4是一特性图，说明在正常燃烧模式和低NOx燃烧模式下燃料喷射定时IT和EGR比率Regr的控制情况，以及当燃料喷射定时设定在8到36°BTDC时测量THC排出量、NOx排出量、噪音和烟雾排出量的测试结果。在图4中，用符号●表示IT＝8°BTDC的特征。按照相同的方式，符号○表示10°BTDC的特征，符号▲表示12°BTDC的特征，符号△表示14°BTDC的特征，符号×表示16°BTDC的特征，符号*表示20°BTDC的特征，符号◆表示24°BTDC的特征，符号◇表示28°BTDC的特征，符号■表示32°BTDC的特征，符号□表示36°BTDC的特征。当发动机的工作范围具有0.2Mpa(与发动机负载有关)的目标平均有效压力Pe和2000rpm的发动机转速时，得到测试结果。
在正常燃烧模式下的校准点位于大符号●的位置，其中燃料喷射定时IT设定在8°BTDC，EGR比率Regr设定在45％，并且过剩空气率控制为1.8左右。相反地，在低NOx燃烧模式下的校准点位于大符号□的位置，其中燃料喷射定时IT设定在较远提前一侧上的36°BTDC，EGR比率Regr设定在56％，从而过剩空气率λ控制为1.0或者略为贫乏的一侧(λ≥1.0)。
在低NOx燃烧模式下以下面的方式设定燃料喷射定时IT＝36°BTDC。
图5是一特性图，示出了当燃料喷射定时IT为10、20和36°BTDC时从图4中摘录的测试结果。在图5中，用符号○表示的IT＝10°BTDC对应于用于典型的柴油机的燃料喷射定时IT(接近于正常的燃烧模式)，用符号*表示的IT＝20°BTDC对应于应用在JP-B-3116876(US5,937,639)中的燃料喷射定时IT，用符号□表示的IT＝36°BTDC对应于在本实施例的低NOx燃烧模式下的燃料喷射定时IT。
在10°BTDC中，随着EGR比率Regr的升高，NOx的排出下降，但是由于烟雾快速上升超出λ＝1.8(虽然在图中省略了)，所以能够抑制烟雾排放的EGR比率Regr的上限值是相当地低。
还有，在20°BTDC中，烟雾排出量趋于随着EGR比率Regr的升高而一度升高，并且在达到峰值之后趋于下降。在接近作为最小值的λ＝1.05的情况下，烟雾不能完全降低，将超过烟雾排出量的峰值，每一次随着燃烧模式的变换，过剩空气率λ得以改变。因此，估计烟雾排出量会快速地瞬时增加。
相反，在燃料喷射定时IT更加提前的36°BTDC中，将烟雾排出量抑制到极低值，即使当EGR比率Regr升高到大约56％时。结果，可实现的过剩空气率λ延伸超出接近1.0的范围。由于NOx的排放受到高的EGR比率Regr的抑制，所以该燃料喷射定时IT允许烟雾和NOx均被降低。进一步地，因为没有形成烟雾排出量的峰值，所以抑制了烟雾的瞬时增加。
按照这种方式，通过提前燃料喷射定时IT，可以抑制烟雾排出量，因为将从燃料喷射到点火的期间延长，从而促进了喷射的燃料和进入的空气的预先混合。燃料喷射定时IT不能过分提前到像在JP-A-8-218920(US5,732,554)中那样的吸入冲程。这样，即使在低NOx燃烧模式中，在接近压缩上死点的某一定时确实地点燃喷射的燃料，能够稳定地操作，而不会有点火失败。
甚至在36°BTDC中，如果过剩空气率λ设定在富裕一侧、超出1.0，那么随着过剩空气的下降(图4)，烟雾得以增加，HC或者CO排放得以增加。为了避免这些缺陷，在低NOx燃烧模式中的过剩空气率λ设定在从1.0略微贫乏的一侧。
图6是一特性图，说明在与图4和5相同的工作范围内通过改变燃料喷射定时IT所测量的THC排出量和稀释燃料量的测试结果。如图6中所示，如果提前燃料喷射定时，那么从大约40°BTDC起THC开始增加，并且稀释燃料量(混合进入发动机油中以得到稀释效果的燃料量)得以增加，带来油稀释的危险。例如，通过早期燃料喷射而喷射的一部分燃料得以扩散，且堆积在汽缸壁面上，并没有被收集在活塞2的空腔2a内，并且堆积的燃料作为THC被释放或者经过活塞间隙混合进入油盘的油中。还有，如果由于诸如空腔边缘或者相反的挤压流动之类的一些因素，使得燃料喷雾和进入的空气不能完全地混合，那么烟雾就会增加。因此，从这方面来讲，过分的提前是不需要的。
另外，当燃料喷射定时IT过分提前时，使接近压缩上死点的燃料点火定时被分散，很可能导致诸如提前点火或者点火延迟的点火失败，如在JP-A-8-218920(US5,732,554)中那样，其中在吸入冲程进行燃料的喷射。因此，对于提前有一限制，以避免这样的缺陷。
因此，将燃料喷射定时IT在提前一侧限制到40°BTDC。结果，如上所述，将在低NOx燃烧模式中的燃料喷射定时IT设定到36°BTDC。
在该低NOx燃烧模式中，由于大量的EGR再循环以抑制NOx，在具有较高发动机负载或者发动机转速Ne的区域，用以燃烧大量燃料的空气量不充足，因此在发动机负载和发动机转速Ne方面有一些限制，并且其被限制在图3中图形的特定区域。在本实施例中，由于在低NOx燃烧模式中涡轮增压器11的增压，能供给相对大量的空气，从而相对于自然吸入型的柴油机，在该特定区域中的上限值明显地延伸。
根据在该特定区域中的发动机的工作范围可以改变最佳的燃料喷射定时IT，而燃料喷射量(发动机负载)的依赖性降低。还有，最佳的燃料喷射定时IT可以根据发动机转速Ne大大地改变。
如果发动机转速Ne和活塞速度均增加，那么喷射的燃料到达空腔2a的定时相对地较早。因此，为了允许喷射的燃料在适当的时间到达空腔，有必要将燃料喷射提前到活塞仍在下位时的定时。因此，当发动机转速Ne在图3所示的图形的特定区域增加时，将燃料喷射定时IT设定在提前一侧，而同时将燃料喷射定时IT设定为几乎一常量，与燃料喷射量的波动无关。
另一方面，如果根据发动机工作范围的变化变换燃烧模式，燃料喷射定时IT将在8°BTDC和36°BTDC中变换，过剩空气率λ将在1.8和1.0(EGR比率Regr在45％和56％之间)中变换，如参考图4所描述的那样。
在具有高响应性能的共轨系统的燃料喷射控制中，燃料喷射定时IT能够逐级地变换，但是由于在EGR控制中排放气体的再循环致使EGR比率Regr逐渐地改变，EGR比率Regr在该模式变换时间具有一短暂的范围。在该模式变换时间，燃料喷射定时IT不再根据EGR比率Regr的变化而紧跟变化，如图4中虚线所示，但是在EGR比率改变期间(模式变换方式)在预定点其逐渐变化，如用实线所示的那样。将在下面描述在模式变换时间这样控制的必要性。
如图4中所示，当燃料喷射定时IT设定在过剩空气率λ从1.0到1.8短暂范围内从14°到32°BTDC的某一处时，发生一种现象，即噪音将主要在贫乏一侧增加，或者烟雾主要在富裕一侧增加。因此，不能够获得噪音和烟雾的降低。如果燃料喷射定时IT跟随图4中的虚线变化，那么就必须通过14°到32°BTDC的范围，从而避开噪音和烟雾快速增加的区域是不可能的。
相反地，当燃料喷射定时设定在8°或者10°BTDC时，在从过剩空气率λ为大约1.3的贫乏一侧的区域内，噪音和烟雾得以降低。另一方面，当燃料喷射定时设定在36°BTDC时，在从过剩空气率λ为大约1.3的富裕一侧的区域内，噪音和烟雾能够下降。
因此，当正常燃烧模式变换为低NOx燃烧模式时，燃料喷射定时IT逐渐地增加到从8°到10°BTDC，并且之后逐渐变化到在过剩空气率λ为1.3或者更大的区域内λ＝1.3时的36°BTDC。还有，当低NOx燃烧模式变化为正常燃烧模式时，遵循相反的过程。
另一方面，在相对于正常燃烧模式、过剩空气率λ设定在富裕一侧的低NOx燃烧模式中，对于相同的喷射量，扭矩有所下降。相应地，对于每一过剩空气率λ可以预先得到一需要的燃料量，并且在该实施例中根据过剩空气率λ可以纠正实际的燃料喷射量Q，从而在变换燃烧模式的时间防止扭矩的改变。
在本实施例的柴油机中，应注意，在相对于通常值燃料喷射定时IT大大提前的区域内，抑制烟雾释放的EGR比率Regr的上限值得以增加。在具有低转速和低负载的特定区域内，实施将燃料喷射定时IT设定在提前一侧的低NOx燃烧模式，从而使烟雾和NOx均能够在非常高的数量级下降。
还有，通过在本实施例中涡轮增压器11的增压使空气量超出在实施低NOx燃烧模式的特定区域的上限，从而获得在宽广的工作范围内低NOx燃烧模式的好处。
此外，考虑由于点火失败、油稀释的发生以及由THC增加引起的提前限制而造成的较低的稳定性，来确定在低NOx燃烧模式中的燃料喷射定时IT，从而通过预先防止这些麻烦，不够获得上述的效果。
由于随着发动机转速Ne的增加，燃料喷射定时IT得以提前，所以喷射的燃料总是能够在合适的时间被带入活塞2的空腔2a，而与发动机转速Ne无关。结果，能够稳定地实现与烟雾和NOx一致的燃烧状态。
进一步地，考虑到燃料喷射定时IT较少依赖于燃料喷射量(发动机负载)的增减，相对于燃料喷射量的增减，可以将燃料喷射定时IT几乎保持恒量，从而能够稳定地实现与烟雾和NOx一致的燃烧状态，而不受发动机负载变化的影响。
将EGR比率Regr调节到接近上限值(56％)，从而抑制在低NOx燃烧模式中烟雾的排放，并且将过剩空气率λ调节到位于从1.0开始略微贫乏的一侧，如在图5的例子(Pe＝0.2MPa和NE＝2000rpm的工作范围)所描述的那样。在其他的工作范围，要相似地调节EGR比率Regr和过剩空气率λ。并且在这种方式下，EGR比率Regr要尽可能大地增加，从而获得最大的NOx降低效果，并且将过剩空气率λ限制到位于从1.0开始略微贫乏的一侧，从而能够有效地抑制HC和CO。结果，能够改善综合的排出(emission)排放特性。
由于在低NOx燃烧模式中大量的EGR使过剩空气减少，所以相对于正常燃烧模式HC或者CO排放略微增加。这种现象可以从图4中的THC特性被估计出。然而，HC或者CO的后处理比烟雾的后处理简单，其无疑能够被在排放通道14内的氧化催化剂17所氧化且净化。另一方面，当氧化催化剂不能被激活时，在图2中的步骤S2的确定为NO，就使低NOx燃烧模式失效，并且变换为HC或者CO排放较少的正常燃烧模式。结果，能够在任意工作范围确定地防止HC或者CO排放。
能够在特定的范围进行低NOx燃烧模式，并且随着燃料喷射量Q或者发动机转速Ne的增加而超出该特定范围，从而变换到正常燃烧模式，如同典型柴油机一样。这样，确定地符合驱动器的输出需要是可能的，并且实现车辆的优良的运转性能。尤其是在该实施例中，因为由EGR冷却器25冷却过的排放气体被再循环，可行的发动机的扭矩增加，使得提高车辆的运转性能成为可能。
在变换燃烧模式的时间，在预定点(λ＝1.3)逐渐地改变燃料喷射定时IT，而不紧跟EGR比率Regr的变化。因此，当超出在EGR比率Regr的短暂范围内噪音和烟雾快速增加的区域(IT＝14到32°BTDC)时，进行模式变换，从而提前避免由模式变换引起的噪音或者烟雾的瞬时增加。
在低NOx燃烧模式中，将燃料喷射定时IT设定到36°BTDC，但是在32°BTDC或者28°BTDC，噪音和烟雾特性很难恶化。因此，在采用该工作范围的低NOx燃烧模式中，燃料喷射定时IT的下限是28°BTDC，由于油稀释的限制其上限是40°BTDC。因此在该间距内可以任意设定燃料喷射定时IT。
第二实施例下面将描述体现本发明的柴油机的第二实施例。本实施例的柴油机不同于第一实施例的柴油机，因为另外提供有净化吸附到NOx催化剂16上的NOx的过程。其他部分则是通用的。因此，将省略通用部分的描述，主要解释不同点。
在低NOx燃烧模式中，减少NOx的排出，但是完全的排气抑制是困难的。另一方面，在正常燃烧模式中，能够达到通常柴油机的NOx排出特性，从而将排出的NOx吸附在NOx催化剂16内，并且防止其排放到大气中。这样，当执行低NOx燃烧模式时，需要排出和减少吸附在NOx催化剂16内的NOx的过程。在本实施例中，通过执行NOx的净化燃烧模式可以净化NOx，其中燃料喷射定时IT大大提前，像在低NOx燃烧模式中一样。
图7是一流程图，说明由ECU31执行的燃烧模式变换过程。在步骤S4，判定该工作范围是否位于特定区域内。如果是，程序进行到步骤S10，确定其是否是NOx净化时间以净化NOx。可以使用各种判定方法，例如，当NOx传感器的感应值大于或者等于预定值并且推测从NOx催化剂16泄漏的NOx时，或者当从发动机的工作范围估计到的NOx排出被连续地加起来，以获得在NOx催化剂16上的NOx吸附量，并且其值超过一预定值时，NOx净化时间被推测出。
如果因为其不是NOx净化定时，在步骤S10的判定是NO，程序进行到步骤S8，以执行低NOx燃烧模式。相反地，如果由于是NOx净化定时，在步骤S10的判定是YES，程序转到步骤S12，执行NOx净化燃烧模式。
在图4中，NOx净化燃烧模式的校准点在虚线上用大符号□来表示，其中燃料喷射定时IT设定到与低NOx燃烧模式一样的值(在图4中的36°BTDC)，并且过剩空气率λ设定在从1.0开始略微富裕的一侧(λ＜1.0)，其不同于低NOx燃烧模式。也就是说，其从图4的特性中将很清楚，由于大量的EGR(自然地NOx增加)而造成的烟雾增加在燃料喷射定时IT大大提前的区域内被抑制了，因此将过剩空气率λ调节到位于富裕一侧，这对于典型柴油机来说这是不可能的。并且由于随着过度氧气的减少，HC或者CO的排放增加(按照THC特性估计的)，从而将HC或者CO作为还原剂供给NOx催化剂16，以便显示出NOx的排出/减少作用。
在本实施例的柴油机中，除了第一实施例的作用外，当到达NOx的净化定时时，执行NOx净化燃烧模式，其中过剩空气率λ调节到富裕一侧，同时烟雾的增加受到抑制。因此，在NOx催化剂16上具有排出且降低NOx的作用，而不必担心烟雾的增加。
尽管上面已经了本发明的实施例，但是本发明不限于这些实施例。例如，在第一和第二实施例中，将柴油机构造为共轨系统，用于对燃料喷射定时IT的精确控制，其包括通过涡轮增压器11的增压作用以延伸低NOx燃烧模式的特定区域，并且开动EGR冷却器25以便增加发动机扭矩。然而，本发明不限于这些实施形式，但是可以包含它们，用于典型柴油机，其中燃料喷射由调节器控制，涡轮增压器11是可变的喷嘴形式，或者省略涡轮增压器11或EGR冷却器25。
在第一或者第二实施例中，用于燃料喷射定时IT、EGR比率Regr以及过剩空气率λ的控制状态是例示性的，其基于相应于预定工作范围(Pe＝0.2Mpa，Ne＝2000rpm)的图4到6的特性。如上所述，这些设定可以根据工作范围而改变，或者通过改变发动机的规格而有所不同。因此，它们可以根据相应于工作范围的特性或者发动机的规格而自然地设定，并不受限于上述的设定。
另外，在第一和第二实施例中，根据情况变换第一控制模式(低NOx燃烧模式)和其他模式。然而，可以在任意时间在整个范围上或者在特定工作范围内采用第一控制模式。
权利要求
1.一种柴油机的控制装置，包括燃料喷射部分，用于将燃料喷射进入发动机的燃烧室；EGR比率调节部分，用于调节从发动机排出进入进气系统的排放气体的再循环量；控制器，用于控制该燃料喷射部分和EGR比率调节部分的运转；其特征在于，控制器将燃料喷射部分的燃料喷射定时设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在呈现增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔跑出并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，并且控制器执行第一控制模式，以控制EGR比率调节部分的运转，从而减少来自发动机的烟雾排出量和NOx排出量。
2.根据权利要求1所述的柴油机控制装置，其特征在于，该控制器根据发动机转速的增加将燃料喷射定时提前。
3.根据权利要求2所述的柴油机控制装置，其特征在于，该控制器将燃料喷射定时保持成几乎恒量，而与发动机负载的变化无关。
4.根据权利要求1所述的柴油机控制装置，其特征在于，该控制器控制EGR比率调节部分的运转，从而将EGR比率设定为50％或者更大，并将过剩空气率设定为1.0或者更大。
5.根据权利要求1所述的柴油机控制装置，其特征在于，该发动机在排放系统内设有具有氧化功能的催化剂，并且当催化剂在无活性时，控制器禁止执行第一控制模式。
6.根据权利要求1所述的柴油机控制装置，其特征在于，该控制器能够执行第二控制模式，在其中，燃料喷射部分的喷射定时设定在接近压缩的上死点，从而延迟到第一控制模式之后，并且EGR比率低于在第一控制模式中的比率；其中，当根据发动机的工作状况在第一控制模式和第二控制模式之间变换时，在EGR比率逐渐改变的EGR比率变化期间的中间瞬时地变换燃料喷射定时。
7.根据权利要求1所述的柴油机控制装置，其特征在于，根据发动机的工作状况，该控制器在第一控制模式和第二控制模式之间变换，在第二控制模式中，燃料喷射部分的喷射定时设定在接近压缩的上死点处，从而延迟到第一控制模式之后，并且使EGR比率低于在第一控制模式中的比率；其中，在发动机的低负载和低转速范围内执行第一控制模式。
8.根据权利要求1所述的柴油机控制装置，其特征在于，该发动机具有NOx催化剂，用于在排放系统中吸附NOx，并且该控制器控制燃料喷射部分和EGR比率调节部分的运转，从而在净化来自NOx催化剂的NOx时，将燃料喷射定时设定得几乎等于第一控制模式的喷射定时，并且将过剩空气率设定得小于1.0。
9.一种用于柴油机的控制方法，包括用燃料喷射部分将燃料喷射进入发动机的燃烧室；用EGR比率调节部分调节从发动机排出进入进气系统的排放气体的再循环量；其特征在于，将燃料喷射部分的燃料喷射定时设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在呈现增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔出来并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，并且控制EGR比率调节部分的运转，从而减少来自发动机的烟雾排出量和NOx排出量。
10.根据权利要求9所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，该燃料喷射定时根据发动机转速的增加而提前。
11.根据权利要求10所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，将燃料喷射定时保持成几乎恒量，而与发动机负载的变化无关。
12.根据权利要求9所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，控制EGR比率调节部分的运转，从而将EGR比率设定为50％或者更大，并将过剩空气率设定为1.0或者更大。
13.根据权利要求9所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，该发动机在排放系统内设有具有氧化功能的催化剂，并且当催化剂在无活性时，禁止执行控制。
14.根据权利要求9所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，该发动机包括第一控制模式，其中将燃料喷射部分的燃料喷射定时设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在呈现增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔出来并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，并且控制EGR比率调节部分的运转，从而减少来自发动机的烟雾排出量和NOx排出量；第二控制模式，其中将燃料喷射部分的喷射定时设定在接近压缩的上死点处，从而延迟到第一控制模式之后，并且EGR比率低于在第一控制模式中的比率；其中，当根据发动机的工作状况，控制模式在第一控制模式和第二控制模式之间变换时，在EGR比率逐渐改变的EGR比率变化期间的中间瞬时地将喷射定时变换。
15.根据权利要求9所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，该发动机包括第一控制模式，其中将燃料喷射部分的燃料喷射定时设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在呈现增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔出来并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，并且控制EGR比率调节部分的运转，从而减少来自发动机的烟雾排出量和NOx排出量；第二控制模式，其中将燃料喷射部分的喷射定时设定在接近压缩的上死点处，从而延迟到第一控制模式之后，并且EGR比率低于在第一控制模式中的比率；其中，在发动机的低负载和低转速范围内执行第一控制模式。
16.根据权利要求9所述的用于柴油机的控制方法，其特征在于，该发动机具有NOx催化剂，用于在排放系统中吸附NOx，并且根据从NOx催化剂中净化NOx的定时，将燃料喷射部分的燃料喷射定时设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在呈现增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔出来并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧；并且其中，控制EGR比率调节部分的运转，将过剩空气率设定为小于1.0。
17.一种柴油机，包括由汽缸壁表面确定的燃烧室；带有一空腔的活塞；将燃料喷射进入燃烧室的燃料喷射部分；进气系统；EGR比率调节部分，用于调节从发动机排出进入进气系统的排放气体的再循环量；控制器，用于控制该燃料喷射部分和EGR比率调节部分的运转；其特征在于，控制器将燃料喷射部分的燃料喷射定时设定成这样当根据EGR比率的增加，烟雾排出特性在呈现增加趋势之后显示出减少趋势时，将其设定在从喷射定时开始的火花提前一侧；当喷射的燃料从形成在活塞内的空腔出来并且到达汽缸壁表面时，将其设定在从喷射定时开始的火花延迟一侧，并且控制器执行第一控制模式，以控制EGR比率调节部分的运转，从而减少来自发动机的烟雾排出量和NOx排出量。
全文摘要
执行低NOx燃烧模式，其中相对于大约10°BTDC的正常值，将燃料喷射定时IT大大地提前到36°BTDC。在该燃料喷射定时IT，烟雾排出量被抑制在极小值以下，即使EGR比率Regr增加到大约56％，并且由于大量的EGR而抑制了NOx排出量，所以能够同时减少烟雾和NOx。
文档编号F02D41/04GK1420263SQ02146740
公开日2003年5月28日 申请日期2002年11月4日 优先权日2001年11月5日
发明者信华原惠, 田道博, 森田利纪, 古贺德幸, 柳川祐治 申请人:三菱自动车工业株式会社