火花点火式内燃机的控制系统的制作方法

专利名称：火花点火式内燃机的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及火花点火式内燃机。
背景技术：
若提高内燃机的几何压缩比，则膨胀比增高，混合气体的燃烧所产生的热量会更 多地转换为活塞的下降运动，结果，内燃机运转效率提高。另一方面，若几何压缩比增高， 则在混合气体着火的压缩上止点附近的气缸内的温度升高，结果，容易产生爆震或过早着 火等异常燃烧，爆震是指位于与火花塞相距较远位置的混合气体在火焰传播之前着火的现 象，过早着火是指在火花点火之前混合气体一瞬地燃烧的现象。为了避免所述异常燃烧，必需降低气缸内所填充的空气量即气缸填充量。作为降 低气缸填充量的方法，例如有公开在日本专利公开公报特开2002-242709号中的方法，该 方法是使进气阀关闭时期延迟至进气下止点之后的方法。

发明内容
上述以往的方法可在不降低进气管的压力以及进气行程中的燃烧室内的压力的 情况下，降低气缸填充量。因此，该方法与为了降低气缸填充量而减小节流阀开度的情形相 比，可抑制泵损耗，维持较高的内燃机运转效率。在内燃机转速低，内燃机温度高，进气温度高，进气湿度低的运转条件下，容易引 起上述异常燃烧。因此，在上述运转条件下，为了避免上述异常燃烧，有必要将进气阀关闭 时期向延迟角的更迟侧设定，以降低气缸填充量。另一方面，在内燃机转速高，内燃机温度 低，进气温度低等良好的运转条件下，不易引起上述异常燃烧。因此，在该良好的运转条件 下，为了提高内燃机输出，较为理想的是，将进气阀关闭时期设定在进气下止点附近以提高 气缸填充量。这样，为了避免异常燃烧且确保内燃机输出，就有必要对应于运转条件，在大 范围内改变进气阀关闭时期。但是，若扩大进气阀关闭时期的可变范围，则在例如内燃机负荷从低负荷向高负 荷过渡等时，有可能无法充分地响应对进气阀关闭时期的控制。对此，在以往的方法中，为避免异常燃烧且确保内燃机输出而必需的所述进气阀 关闭时期的变更范围并不明确。具体而言，一般认为几何压缩比高的内燃机中，进气阀关闭 时期的变更范围需要非常大。因此，当提高几何压缩比而使进气阀关闭时期的范围变得非 常大时，有可能无法确保对进气阀关闭时期的控制的响应性，于是，火花点火式内燃机的几 何压缩比以及膨胀比会被抑制得较低，从而不能充分提高内燃机运转效率。本发明的目的在于提供可避免内燃机的异常燃烧发生且可提高内燃机运转效率 的火花点火式内燃机的控制系统。本发明提供一种火花点火式内燃机的控制系统，该控制系统中的所述火花点火式 内燃机包括气缸、在该气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的上表面 形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述气缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入的进气阀、以 及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，该控制系统中，内燃机主 体的几何压缩比设定为11以上，该控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构的运 作的控制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时 期的最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设为ε 0 时该最延迟角的相对于进气下止点的角度量α满足以下数式(1)α 彡-0. 2685X ε 02+10. 723X ε 0+15. 815(1)。本发明还提供另一种火花点火式内燃机的控制系统，该控制系统中的所述火花点 火式内燃机包括气缸、在所述气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的 上表面形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述气 缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入的进气 阀、以及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，该控制系统中，内燃 机主体的几何压缩比设定为14以上，该控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构 的运作的控制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关 闭时期的最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设 为ε 0时该最延迟角的相对于进气下止点的角度量α满足以下数式(2)α 彡-0. 5343 X ε 02+20 . 969 X ε 0-106· 18 (2)。本发明还提供另一种火花点火式内燃机的控制系统，该控制系统中的所述火花点 火式内燃机包括气缸、在所述气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的 上表面形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述气 缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入的进气 阀、以及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，该控制系统中，内燃 机主体的几何压缩比设定为12以上，该控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构 的运作的控制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关 闭时期的最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设 为ε 0时该最延迟角的相对于进气下止点的角度量α满足以下数式(3)α 彡-0. 3591Χ ε 02+14· 292Χ ε 0-29. 28 (3)，并且使所述进气阀的关闭时期的最靠提前角侧的延迟角的角度位于进气下止点 的延迟角侧且该最靠提前角侧的延迟角的相对于进气下止点的角度量小于45度。根据本发明，能够避免内燃机的异常燃烧发生且能够提高内燃机运转效率。


图1是本发明所涉及的火花点火式内燃机的控制系统的整体结构的概略图。图2是进气凸轮轴相位可变机构的概略剖视图。图3是用以说明高压燃料泵和排气凸轮轴的连结的图。图4是用以说明发动机控制器中的各致动器的控制步骤的流程图。图5是表示进气门的阀门升程以及阀门速度的图。图6是用以说明进气门的关闭时机和空气填充量的关系的图。图7是表示辛烷值为88R0N的燃料的几何压缩比和进气门的关闭时机的关系的图8是表示辛烷值为91R0N的燃料的几何压缩比和进气门的关闭时机的关系的 图9是表示辛烷值为95R0N的燃料的几何压缩比和进气门的关闭时机的关系的
具体实施例方式下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1概略地表示本发明所涉及的发动机系统(火花点火式内燃机的控制系统)的 整体结构。该发动机系统包括发动机主体(火花点火式内燃机)1、和用以控制该发动机主 体1所附带的各种致动器的发动机控制器(控制单元)100。所述发动机主体1是搭载于汽车等车辆的四冲程火花点火式内燃机。该发动机主 体1用以使车辆前进，其输出轴通过变速器连结于驱动轮。该发动机主体1包括气缸体12 和设置在该气缸体12上的气缸盖13。在该气缸体12和气缸盖13的内部形成有多个气紅 11。这些气缸11的数量并无特别限定，例如形成有四个气缸11。另外，曲轴14由轴颈、轴 承等旋转自如地支撑于所述气缸体12。 活塞15分别滑动自如地嵌入所述各气缸11内。在各活塞15的上方，在这些活塞 15与所述气缸盖13之间分别划分出了燃烧室17。这些活塞15与曲轴14通过连杆16而 被连接。在本实施方式中，为了提高内燃机热效率以提高燃耗性能，发动机主体1的几何 压缩比ε 0设定为11以上。众所周知，所谓几何压缩比ε 0，是所述活塞15位于上止点时 的燃烧室17的容积、与活塞15位于下止点时的燃烧室17的容积之比。若将活塞15位于 上止点(TDC)时的燃烧室17的容积设为VI，将排气量(行程容积)设为VOJlJ ε 0表示为 ε 0 = (V0+V1)/V1。在所述气缸盖13上形成有与各燃烧室17连通的各两个进气口 18和各两个排气 口 19。另外，在所述气缸盖13上，设置有用以阻断各进气口 18与所述燃烧室17的连通的进 气门(进气阀)21、和用以阻断各排气口 19与所述燃烧室17的连通的排气门(排气阀)22。 所述进气门21由后述的进气阀驱动机构(进气阀关闭时期可变机构)30驱动，由此，以指 定的正时(时期)使各进气口 18开闭。所述排气门22由后述的排气阀驱动机构40驱动， 由此，使所述各排气口 19开闭。所述进气阀驱动机构30包括进气凸轮轴31。所述排气阀驱动机构40包括排气凸 轮轴41。所述进气凸轮轴31以及排气凸轮轴41通过众所周知的链条/链轮机构等动力传 递机构连结于曲轴14。所述动力传递机构使得在所述曲轴14旋转两圈期间，凸轮轴31、41
旋转一圈。在所述进气阀驱动机构30中，在所述动力传递机构与所述进气凸轮轴31之间设 置有进气凸轮轴相位可变机构(相位可变机构)32。所述进气凸轮轴相位可变机构32改变进气凸轮轴31相对于曲轴14的旋转相位， 这样，使进气门21的开闭时期可变。所述进气凸轮轴相位可变机构32包括产生用以改变 该旋转相位的旋转力的电动机151 (参照图2)。
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具体而言，如图2所示，进气凸轮轴相位可变机构32包括所述电动机151、通过连 结轴152 —体旋转地连结于电动机151的输出轴151a的转子153、通过齿轮结合于转子153 的链轮主体154、以及同样通过齿轮结合于转子153的凸轮一体齿轮155。电动机151的旋转轴心被配设成与进气凸轮轴31的旋转轴心一致。所述凸轮一体齿轮155由圆板部件构成，其与进气凸轮轴31同轴，并通过定位销 (未图示)一体旋转地结合于该进气凸轮轴31的一个端部。在凸轮一体齿轮155的位于所 述进气凸轮轴31相反侧的面上形成有圆筒状凹部。在该圆筒状凹部的内周面上，形成有与 后述的转子凸台部162的齿轮部162a啮合的齿轮部155a。所述链轮主体154的外周面呈具有与所述链条(未图示)啮合的链齿轮部154a 的圆筒状。该链轮主体154的轴心与所述电动机151的旋转轴心以及与进气凸轮轴31的 轴心一致。在链轮主体154的内周面上，形成有与后述的转子主体161的齿轮部161a啮合 的齿轮部154b。所述连结轴152是与所述电动机输出轴151a同轴并一体旋转地连结于该电动机 输出轴151a的级形轴。该连结轴152由大径部152a和小径部152b所构成。在所述连结轴152的小径部152b的外周面上，形成有与所述转子153的后述的花 键凹部153c啮合的花键齿部152c。所述转子153由在外周面上具有齿轮部161a的转子主体161、和在外周面上具有 齿轮部162a的转子凸台部162所构成。在该转子153的内周面上形成有花键凹部153c。 该转子153通过所述花键凹部153c与所述花键齿部152c的花键结合，可与所述连结轴152 一体地旋转。所述转子153的轴心即所述转子主体161及所述转子凸台部162的轴心，相对于 所述电动机151的旋转轴心即电动机151的输出轴151a的轴心偏离指定距离(因为该偏 心量小，所以未图示)。所述转子主体161的齿轮部161a的齿数比所述链轮主体154的齿 轮部154b的齿数少一齿。同样地，所述转子凸台部162的齿轮部162a的齿数比所述凸轮 一体齿轮155的齿轮部155a的齿数少一齿。这样，由所述转子153 (转子主体161及转子 凸台部162)、和所述链轮主体154及所述凸轮一体齿轮155构成偏心行星齿轮机构。当使所述电动机151向与所述链轮主体154的旋转方向(与曲轴14的旋转方向一 致的方向)相同的方向旋转时，对应于该旋转量，所述凸轮一体齿轮155向相同方向旋转， 所述进气凸轮轴31的旋转相位对于所述链轮主体154 (曲轴14)提前。另一方面，当使所 述电动机151向与所述链轮主体154的旋转方向相反的方向旋转时，对应于该旋转量，所述 进气凸轮轴31的旋转相位对于曲轴14延迟。所述进气凸轮轴31的相位角由凸轮相位传 感器39检测，其信号θ IVC_A被发送给发动机控制单元100。如下所述，在本发动机系统中，在非常大的范围内设定进气门21的阀门正时(开 闭时期)。与此相对，如上所述，在本实施方式中，通过所述电动机151改变所述进气凸轮轴 31的相位，并改变进气门21的阀门正时，这样，可迅速、大幅且容易地改变该阀门正时。在所述排气阀驱动机构40中，在所述动力传递机构与所述排气凸轮轴41之间也 设置有排气凸轮轴相位可变机构42。该排气凸轮轴相位可变机构42用以改变排气门22的 阀门正时。该排气凸轮轴相位可变机构42被配置成与所述排气凸轮轴41同轴，通过改变 由曲轴14直接驱动的被驱动轴与排气凸轮轴41之间的相位差，改变所述曲轴14与所述排气凸轮轴41之间的相位差，从而改变排气门22的开闭时期。关于该排气凸轮轴相位可变机构42，例如可列举液压式机构或电磁式机构等，该 液压式机构具有在所述被驱动轴与所述进气凸轮轴31之间沿着圆周方向排列的多个液 室，通过在这些液室之间设置压力差来改变所述相位差；所述电磁式机构具有设置在所述 被驱动轴与所述排气凸轮轴41之间电磁铁，通过对所述电磁铁施加电力来改变所述相位 差。该排气凸轮轴相位可变机构42接收来自发动机控制器100的控制信号而被运作控制。用以将燃料供应至后述的燃料喷射阀53的高压燃料泵(燃料泵)170 (参照图3) 连结于所述排气凸轮轴41。该高压燃料泵170通过往返移动的柱塞对燃料进行加压，将该 燃料供应至喷射器。所述柱塞通过排气凸轮轴41的旋转而被驱动。在本实施方式中，与进 气门21的阀门正时相比，排气门22的阀门正时的可变范围被设定得较小。因此，排气凸轮 轴41的相位变化量小于进气凸轮轴31的相位变化量，高压燃料泵170连结于该排气凸轮 轴41侧，这样，该高压燃料泵170稳定地受到驱动。所述进气口 18通过进气歧管55与平衡箱55a连通。在该平衡箱55a上游的进气 通道中设置有节流体56。在该节流体56的内部枢动自如地设置有节流阀57，该节流阀57 用以调整从外部流向所述平衡箱55a的进气流量。该节流阀57由节流致动器58驱动，其 改变所述进气通道的流路面积以改变进气流量。该节流致动器58驱动该节流阀57，以使所 述节流阀57的开度达到由后述的发动机控制器100计算出的节流开度的目标值TV0D。所述排气口 19通过排气歧管60与排气管连通。在该排气管中配置有废气净化系 统。该废气净化系统的具体结构并无特别限定，例如可列举具有三元催化剂、稀薄NOx催化 剂、氧化催化剂等催化转化器61的结构。所述进气歧管55和所述排气歧管60由EGR管62连通。废气的一部分通过该EGR 管62向进气侧循环。在所述EGR管62上，设置有由EGR阀致动器64驱动的EGR阀63。该 EGR阀63调整通过所述EGR管62向进气侧循环的EGR气体的流量。所述EGR阀致动器64 驱动该EGR阀63，以使所述EGR阀63的开度达到由后述的发动机控制器100计算出的EGR 开度EGRopen,这样，将所述EGR气体的流量调整为适当的值。在所述气缸盖13上，以火花塞51的前端朝向所述燃烧室17的方式安装有该火花 塞51。基于由后述的发动机控制器100计算出的点火时间SA，由点火系统52通电之后，该 火花塞51使火花产生在所述燃烧室17内。在所述气缸盖13上，以燃料喷射阀53的前端朝向所述燃烧室17的方式安装有该 燃料喷射阀53，该燃料喷射阀53用以将燃料直接喷射至燃烧室17内。更详细而言，配置 该燃料喷射阀53，使得其前端在上下方向上位于所述两个进气口 18的下方，且在水平方向 上位于所述两个进气口 18的中间。基于由后述的发动机控制器100计算出的燃料喷射量 FP,由燃料系统54对设置在该燃料喷射阀53内部的电磁线圈通电指定期间，这样，该燃料 喷射阀53将指定量的燃料喷射至所述燃烧室17内。所述发动机控制器100是以众所周知的微电脑作为基础的控制器，其包括用以执 行程序的CPU、由RAM或ROM构成且存储程序及数据的存储器、以及输入输出各种信号的I/ 0总线。由水温传感器77检测出的发动机冷却水的温度(内燃机温度)Teng,由进气温度传 感器78检测出的节流阀57上游的吸入空气的温度Tint、由气流计71检测出的吸入空气量AF、由进气压传感器72检测出的进气歧管55内的空气压力MAP、由曲柄角传感器73检测出 的曲柄角脉冲信号、由氧浓度传感器74检测出的废气的氧浓度EGO、由加速踏板开度传感 器75检测出的汽车驾驶员踩踏加速踏板的踩踏量ACP、以及由车速传感器76检测出的车速 VSP等各种信息，通过所述I/O总线输入所述发动机控制器100。所述发动机控制器100基于所述各输入信息计算出对各种致动器的指令值，以使 气缸11内的空气填充量及点火时间等对应于运转条件而达到适当的值。例如，计算出节流 开度的目标值TV0D、燃料喷射量FP、点火时间SA、EGR开度EGRwen、进气门21的阀门正时以 及排气门22的阀门正时的目标值，将这些目标值输出至燃料系统54、点火系统52、EGR阀 致动器64、所述节流致动器58、进气凸轮轴相位可变机构32的电动机151以及排气凸轮轴 相位可变机构42。使用图4的流程图说明所述发动机控制器100中的具体的运算步骤。首先，读取所述加速踏板的踩踏量ACP等各种信号(步骤Si)。接下来，基于所述加速踏板的踩踏量ACP、和从所述曲柄角脉冲信号计算出的发动 机主体1的转速(内燃机速度)Neic、以及车速VSP，计算出目标转矩TQd(步骤S2)。接下来，基于在所述步骤S2中计算出的目标转矩TQd以及转速NENe，计算出燃料喷 射量FP、目标空气填充量(气缸11内的空气填充量CE的目标值)CEd以及点火时间SA (步 马聚S3) ο接着，基于在所述步骤S3中计算出的目标空气填充量CEd和转速NENe，计算出进气 门21的阀门正时的目标值，S卩，进气门21的打开时机(打开时间)的目标值eiTO D以及进 气门21的关闭时机(关闭时期)的目标值eiTC D。这里，在本实施方式中，进气门21的打 开期间保持固定，随着进气门21的关闭时机的目标值Θ IV。D被计算出，进气门21的打开时 机的目标值Qitod也被计算出。另外，基于所述目标空气填充量CEd和转速Nffle，计算出所 述排气门22的阀门正时的目标值，即，排气门22的打开时机(打开时期)的目标值eETO D 以及关闭时机θ EVC D(关闭时期)的目标值(步骤S4)。在下文中叙述所述进气门21的关闭时机的目标值θ IVC_D的计算方法的细节。接着，基于所述目标空气填充量CEd和转速NENe，计算出所述节流阀57的开度的目 标值TVOD (步骤S5)。然后，基于计算出的燃料喷射量FP、点火时间SA、进气门21的打开时机的目标值 θ ITO—D、进气门21的关闭时机的目标值θ ITC D、排气门22的打开时机的目标值θ ETO D、排气门 22的关闭时机的目标值θ EVC_D>以及节流开度的目标值TV0D，以满足这些目标值的方式驱动 各致动器(步骤S6)。具体而言，信号θ πο 以及θ IVCJ被输出至进气凸轮轴相位可变机构32 (电动机 151)。于是，所述进气凸轮轴相位可变机构32运作，以使进气凸轮轴31相对于曲轴14的 相位达到对应于θ IV0J)以及θ IVC_D的值。信号eEVQ D以及θ ETC D被输出至排气凸轮轴相位可变机构42。于是，该排气凸轮 轴相位可变机构42运作，以使排气凸轮轴41相对于曲轴14的相位达到对应于θ EV0_D以及 θ EVC—D 的值。信号TVOd被输出至节流致动器58。于是，所述节流致动器58运作，以使节流阀57 的开度达到对应于TVOd的值。
信号FP被输出至燃料系统54。对于每一气缸冲程，从燃料喷射阀53喷射出对应 于FP的量的燃料。信号SA被输出至点火系统52。在气缸冲程中的对应于SA的时期，火花塞51点 火，点燃燃烧室17内的混合气体。这样，在适当的时期点燃由必需量的空气和燃料构成的 混合气体并使该混合气体燃烧，由此，由发动机主体1产生根据所述加速踏板的踩踏量ACP 求出的目标转矩。接下来，说明所述步骤S4中的进气门21的关闭时机的目标值θ IVC_D的计算方法 即进气门21的阀门正时的具体控制方法。此外，在以下的说明中，表示与进气门21的关闭 时机相关的时期的数值是由曲柄角表示的数值，如图5所示，此时，是进气门21的升程量为 0. 2mm且阀门速度的变化变得徐缓的角度。图5表示与曲柄角对应的进气门21的升程量以 及阀门速度。进气门21的关闭时机θ ITC被控制为，在BDC(进气下止点)的延迟角侧，在设定 于最靠延迟角侧的后述的最延迟角度与设定于最靠提前角侧的后述的最提前角度之间，该 进气门21的关闭时机θ ITC随着发动机的转速Nffle的增加而提前。即，由所述发动机控制器 100计算出所述进气门21的关闭时机的目标值θ ITC D，以使该进气门21的关闭时机的目标 值θ ITC D在最延迟角度与最提前角度之间随着发动机的转速Neic的增加而提前。另外，该进 气门的关闭时机θ 。被控制为，在发动机主体1起动时，燃烧室17内的温度越高，则该进气 门的关闭时机9IVC越迟。根据由所述水温传感器77检测出的发动机冷却水的温度T-及 由进气温度传感器78检测出的吸入空气的温度Tint，运算出所述燃烧室17内的温度。艮口， 由所述发动机控制器100计算出所述进气门21的关闭时机的目标值θ IVCJ),以使该进气门 21的关闭时机的目标值θ D在发动机主体1起动时随着燃烧室17内的温度越高而越迟。如图6所示，气缸11内的空气填充量CE在进气门21的关闭时机θ IVC处于BDC 的延迟角侧时为最大。而且，该空气填充量CE随着进气门21的关闭时机eITC比该空气填 充量CE达到最大的角度更延迟而越少。这是因为进气门21的关闭时机eITC越迟，则气缸 11内的空气向进气通道侧回流的量越大。因此，在本发动机系统中，如上所述，使进气门21 的关闭时机θ 处于BDC的延迟角侧，并改变其延迟角度量，这样，改变从气缸11流向进 气通道侧的空气的回流量，从而将气缸11内的空气填充量CE控制成对应于运转条件的值。 这样，通过改变进气门21的关闭时机θ 来改变空气填充量CE，由此，与由节流阀57改变 空气填充量CE的情形相比，泵损耗受到抑制。所述进气门21的关闭时机θ IVC的最延迟角度的相对于BDC的角度量α，在发动 机主体1的几何压缩比设为ε 0时设定为满足α彡-0. 2685 X ε 02+10. 723 X ε 0+15. 815 的值。即，在图7中，最延迟角度的角度量α设定在二次曲线Ll的上方。如此设定最延迟 角度是基于以下所述的讨论结果。如上所述，在本发动机系统中，发动机主体1的压缩比被设定为至少11以上的高 压缩比，在混合气体着火的压缩上止点附近，气缸11内的温度升高，由此容易产生异常燃 烧。因此，需要充分地使进气门21的关闭时机θ ITC处于延迟角侧，以充分地抑制空气填充 量CE。关于此方面，本发明人等在几何压缩比εΟ不同的多个火花点火式内燃机中，多 样地改变进气门21的关闭时机θ ITC，并通过实验测量了产生异常燃烧的进气门21的关闭时机θιν。的极限角度。具体而言，对几何压缩比￡0为11、13、15的发动机进行了该实验。 这里，在发动机转速NENe低，进气的温度及发动机冷却水的温度高，且湿度低的条件下，最容 易产生异常燃烧。因此，将发动机转速设为500rpm，将进气口的进气温度设为70°C，将湿度 设为3 12g/m3，将发动机水温设为105°C来进行实验。使用辛烷值为88R0N的燃料，对几何压缩比ε 0为11、13、15的发动机进行所述实 验，结果发现在进气口的进气温度为100°c，湿度为Og/m3，发动机水温为115°C的最容易 产生异常燃烧的条件下，若使进气门21的关闭时机θ IVC的相比于BDC的延迟角的角度量 α小于由图7的Ρ1、Ρ2、Ρ3所示的值，S卩，若使进气门21的关闭时机θ 处于靠提前角侧， 则会产生异常燃烧。即，上述该各点P1、P2、P3的角度是不会产生异常燃烧的极限角度。而 且这些极限角度上的有效压缩比ε均为6.1，只要将有效压缩比ε抑制在6.1以下，就可 避免异常燃烧。当将活塞15位于上止点时的燃烧室17的容积设为V2，将进气门21的关闭时机 θ IVC时的燃烧室17 (气缸11中的被划分至活塞15上方的部分)的容积设为Vitc时，所述 有效压缩比ε由ε = 1+Vivc/V2表示。关于所述进气门21的关闭时机θ IVC时的容积Vitc，当将连杆的长度1与曲柄半 径r之比k设为k = Ι/r时，使用排气量VO将容积Vitc表示为Vitc = (k+1-(k2-sin2 θ IVC— D)1/2+C0Seive—d)XV0/2。这里，已知随着发动机主体1的运转，沉积物会附着于燃烧室17的壁面，结果，所 述燃烧室17的容积V2小于在计算几何压缩比ε O时所使用的初始的燃烧室17的容积VI。 而且已知使用几何压缩比8 0和排气量￥0，以￥0八2< ε 0+0. 4表示该燃烧室17的容积 V2。因此，为了切实地使所述有效压缩比ε为6.1以下，当将该燃烧室17的容积V2设为 V0/(e0+0. 4)时，所述进气门21的关闭时机时的有效压缩比ε为ε = l+(k+l-(k2 -sin2 θ IVC) +Cos θ IVC)1/2 X ( ε 0+0. 4)/2。已知所述连杆的长度1与曲柄半径r之比k为3. 5 3. 9，在使用该值并将一部分 式子简化之后，有效压缩比ε≥6.1的进气门21的关闭时机θ ITC的相对于与BDC的延迟 角的角度量 α 为 a≥ -0. 2685X ε 02+10. 723X ε 0+15. 815。所以，通过将进气门21的关闭时机θ 。控制在比由几何压缩比ε 0的二次函数 Π =-0. 2685X ε 02+10. 723X ε 0+15. 815计算出的角度更迟的延迟角侧，这样，可使有效 压缩比ε为6.1以下，在至少辛烷值为88R0N以上的燃料的情况下，可提高几何压缩比，同 时可避免异常燃烧发生。同样地，使用辛烷值为91R0N的燃料，对几何压缩比ε0为12、14、16的发动机 主体1进行所述实验之后发现在该燃料的情况下，使进气门21的关闭时机θ IVC的相对 于BDC的延迟角的角度量α小于由图8的Ρ11、Ρ12、Ρ13所示的值以将有效压缩比ε设 为7.7以下，并将进气门21的关闭时机θ 的相对于BDC的延迟角度α设定为满足 α≥-0.3591 X ε 02+14. 292 X ε 0-29. 28的值，即图8所示的线L2的上方的值，这样，可避 免产生异常燃烧。所以，通过将进气门21的关闭时机θ ITC控制在比由该几何压缩比ε 0的 二次函数f2 = -0. 3591 X ε 02+14. 292 X ε 0-29. 28计算出的角度更迟的延迟角侧，这样， 在辛烷值为91R0N以上的燃料的情况下，可提高几何压缩比ε 0，同时可避免产生异常燃 烧。
这里，91R0N的燃料是不易产生异常燃烧的燃料。所以，在使用该91R0N的燃料的 情况下，所述进气门21的关闭时机θ ITC的范围设定，特别在几何压缩比ε0为12以上时有效。另外，使用辛烷值为95R0N的燃料，对几何压缩比ε 0为14、15、16的发动机主 体1进行所述实验之后发现在该燃料的情况下，使进气门21的关闭时机θ IVC的相对于 BDC的延迟角的角度量α小于由图9的Ρ21、Ρ22、Ρ23所示的值以将有效压缩比ε设为 9. 9以下，并将进气门21的关闭时机θ IVC的相对于BDC的延迟角的角度量α设定为满足 α彡-0.5343X ε 02+20 . 969X ε 0-106. 18的值，即图9所示的线L3的上方的值，这样，可 避免产生异常燃烧。所以，通过将进气门21的关闭时机θ ITC控制在比由该几何压缩比ε0 的二次函数f3 = _0. 5343X ε 02+20 . 969X ε 0-106. 18计算出的角度更迟的延迟角侧，这 样，在辛烷值为95R0N以上的燃料的情况下，可提高几何压缩比ε 0，同时可避免产生异常 燃烧。这里，该95R0N的燃料是比所述91R0N的燃料更不易产生异常燃烧的燃料。所以， 在使用该95R0N的燃料的情况下，所述进气门21的关闭时机θ IVC的范围设定，特别在几何 压缩比ε 0为14以上时有效。此外，由图7以及图8的三角标记表示的多个数据是在日本国内所通常使用的汽 车发动机的几何压缩比ε0和进气门21的关闭时机θιν。。另外，由图9的四角标记表示的 多个数据是在主要使用95R0N燃料的欧洲所通常使用的汽车发动机的几何压缩比ε 0和进 气门21的关闭时机eITC。另外，所述进气门21的关闭时机θ IVC的最靠提前角侧的延迟角，其相对于BDC的 角度量被设定为达到45度(°C Α,曲柄角)以下的值。如上所述，使空气填充量CE达到最大时的进气门21的关闭时机θ IVC是在BDC的 延迟角侧。本发明人等通过在各种发动机中测量使该空气填充量CE达到最大时的进气门 21的关闭时机θ IVC之后发现，该关闭时机0IVC为下止点后35°c A 45°CA，该角度例如 在内燃机速度高的运转条件下，可使气缸填充量约为100%。所以，将进气门21的关闭时 机θ IVC的最靠提前角侧的角度设定在至少下止点后45°C A的提前角侧，即，将其相对于与 BDC的延迟角的角度量设定为45°C A以下，这样，可确保充分的空气填充量CE。这样，在本发动机系统中，使进气门21的关闭时机θ ITC的最延迟角度处于比由所 述各函数fl、f2、f3计算出的值更迟的延迟角侧，由此，可将发动机主体1的几何压缩比ε 0 设为高压缩比，同时可避免异常燃烧。而且，通过将进气门21的关闭时机eITC的最靠提前 角侧的角度设为下止点后45°C A以下，可确保空气填充量CE，提高内燃机输出。另外，通过 如此将进气门21的关闭时机θ ITC设置在最佳范围中，可防止进气门21的可变范围过大。这里，使进气凸轮轴31旋转以改变进气门21的阀门正时的具体机构并不限于所 述电动机151。例如，也可与所述排气凸轮轴相位可变机构42同样地，使进气凸轮轴相位 可变机构32为液压式机构或电磁式机构等，从而通过液压或电磁铁使进气凸轮轴31旋转。 但是，若使用电动机151，则可更容易地在大范围内改变进气门21的阀门正时。另外，本发明所涉及的火花点火式内燃机的结构并不限定于所述实施方式，还包 含除所述实施方式以外的各种结构。例如发动机主体1也可并非为四气缸而是六气缸。如上所述，本发明提供一种火花点火式内燃机的控制系统，所述火花点火式内
12燃机包括气缸、在所述气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的上 表面形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述 气缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入 的进气阀、以及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，该控制系 统中，内燃机主体的几何压缩比设定为11以上，该控制系统具有控制所述进气阀关闭 时期可变机构的运作的控制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使 所述进气阀的关闭时期的最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机 主体的几何压缩比设为εΟ时该最延迟角的角度的相对于进气下止点的角度量α为 α ≥-0. 2685 X ε 02+10. 723 X ε 0+15. 815。根据该控制系统，通过将内燃机主体的几何压缩比设为11以上，可实现高的内燃 机运转效率进而实现高的燃耗性能，并且通过将进气阀的关闭时期设为适当的值，可避免 进气阀的关闭时期的可变范围过分地扩大，抑制异常燃烧的发生。即，将该进气阀的关闭时期的相对于进气下止点的最大延迟角的角度量设定 为-0.2685X ε 02+10. 723X ε 0+15. 815以上，以使进气阀的关闭时期充分地位于延迟角 侧，使有效压缩比为6. 1以下，可抑制辛烷值为88R0N以上的燃料发生异常燃烧，并且可将 内燃机主体的几何压缩比设为高压缩比。另外，若提早进气阀的关闭时期，则气缸填充量会增高，这样，可提高输出转矩。所述系统中，较为理想的是，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使 所述进气阀的关闭时期的最靠提前角侧的延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且该 最靠提前角侧的延迟角的相对于进气下止点的角度量小于45度。这样，例如在内燃机速度高的运转条件下，可使气缸填充量约为100%，从而可最 大限度地提高内燃机输出。另外，本发明还提供一种火花点火式内燃机的控制系统，所述火花点火式内燃机 包括气缸、在所述气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的上表面形成 燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述气缸内的空气 所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入的进气阀、以及能 够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，该控制系统中，内燃机主体的 几何压缩比设定为14以上，该控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构的运作的控 制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的最 延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设为ε 0时该 最延迟角的相对于进气下止点的角度量α为α彡-0. 5343 X ε 02+20. 969 X ε 0-106. 18。根据该系统，对于想要使用辛烷值为95R0N以上的燃料的内燃机，可将内燃机主 体的几何压缩比设为14以上，以实现高的内燃机运转效率进而实现高的燃耗性能，并且可 抑制异常燃烧的发生。该系统中，较为理想的是，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所 述进气阀的关闭时期的最靠提前角侧的延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且该最 靠提前角侧的延迟角的相对于进气下止点的角度量小于45度。这样，例如在内燃机速度高的运转条件下，可使气缸填充量约为100%，从而可最 大限度地提高内燃机输出。
另外，本发明还提供一种火花点火式内燃机的控制系统，所述火花点火式内燃机 包括气缸、在所述气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的上表面形成 燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述气缸内的空气 所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入的进气阀、以及能 够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，该控制系统中，内燃机主体的 几何压缩比设定为12以上，该控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构的运作的 控制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的 最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设为ε 0时 该最延迟角的相对于进气下止点的角度量α为a ^-0. 3591 X ε 02+14. 29 2X ε 0-29. 28, 并且使所述进气阀的关闭时期的最靠提前角侧的延迟角的角度位于进气下止点的延迟角 侧且该最靠提前角侧的延迟角的相对于进气下止点的角度量小于45度。根据该系统，对于想要使用辛烷值为91R0N以上的燃料的内燃机，例如在内燃机 速度高的运转条件下，可确保约100%的气缸填充量以更切实且最大限度地提高内燃机输 出，并且可将内燃机主体的几何压缩比设为12以上以实现高的内燃机运转效率进而实现 高的燃耗性能，同时可抑制异常燃烧的发生。另外，本发明中，较为理想的是，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机 构，以在所述火花点火式内燃机的内燃机起动时，在所述火花点火式内燃机的所述燃烧室 内的温度越高的情况下，使所述进气阀的关闭时期越迟。这样，气缸内的进气温度不易上升，且发生异常燃烧的可能性小，另一方面，在机 械阻力大的冷车起动时，可提高气缸填充量以确保起动转矩，并且在气缸内的进气温度容 易上升的热车起动时，可将气缸填充量抑制得较小以抑制异常燃烧的发生。本发明中，较为理想的是，所述进气阀关闭时期可变机构通过由电动机驱动来改 变所述进气阀的关闭时期。这样，与通过由曲轴驱动的液压致动器来驱动进气阀关闭时期可变机构的情形相 比，例如在起动时，可更适当地驱动进气阀关闭时期可变机构。即，对于由曲轴驱动油泵的 液压致动器而言，在起动时等内燃机速度低的条件下，无法充分地产生用以供油泵驱动液 压致动器的液压，无法适当地驱动进气阀关闭时期可变机构，但若使用电动机，则无论内燃 机的速度如何，均可更适当地驱动进气阀关闭时期可变机构。这样，在需要使进气阀关闭时 期延迟的热车起动时，可抑制异常燃烧的发生，实现更早的燃烧开始。另外，本发明中，较为理想的是，所述进气阀关闭时期可变机构包括通过由连接 于所述活塞的曲轴驱动来驱动所述进气阀的进气凸轮轴、以及使所述进气凸轮轴的相对于 所述曲轴的相位变化的相位可变机构，所述火花点火式内燃机包括从所述气缸内排出的 废气所通过的排气通道、能够阻断从所述气缸内向所述排气通道的废气流出的排气阀、通 过由连接于所述活塞的曲轴驱动来驱动所述排气阀的排气凸轮轴、以及供应燃料给所述燃 料喷射阀的燃料泵，所述燃料泵与所述排气凸轮轴连接并由该排气凸轮轴驱动。这样，可在大范围内改变进气阀的关闭时期，并且可稳定地驱动燃料泵。
权利要求
一种火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于所述火花点火式内燃机包括气缸、在该气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上并与所述活塞的上表面形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射阀、导入所述气缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的空气流入的进气阀、以及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构，所述火花点火式内燃机的控制系统中，内燃机主体的几何压缩比设定为11以上，所述控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构的运作的控制单元，所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设为ε0时该最延迟角的相对于进气下止点的角度量α满足以下数式(1)α≥ 0.2685×ε02+10.723×ε0+15.815(1)。
2.根据权利要求1所述的火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的最靠提 前角侧的延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且该最靠提前角侧的延迟角的相对于 进气下止点的角度量小于45度。
3.一种火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于所述火花点火式内燃机包括气缸、在该气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上 并与所述活塞的上表面形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射 阀、导入所述气缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的 空气流入的进气阀、以及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构， 所述火花点火式内燃机的控制系统中， 内燃机主体的几何压缩比设定为14以上，所述控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构的运作的控制单元， 所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的最延迟 角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设为ε 0时该最延 迟角的相对于进气下止点的角度量α满足以下数式(2) α 彡-0. 5343 X ε 02+20 . 969 X ε 0-106. 18(2)。
4.根据权利要求3所述的火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的最靠提 前角侧的延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且该最靠提前角侧的延迟角的相对于 进气下止点的角度量小于45度。
5.一种火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于所述火花点火式内燃机包括气缸、在该气缸内往返移动的活塞、设置在所述气缸上 并与所述活塞的上表面形成燃烧室的气缸盖、将燃料直接喷射到所述燃烧室内的燃料喷射 阀、导入所述气缸内的空气所通过的进气通道、能够阻断从所述进气通道向所述气缸内的 空气流入的进气阀、以及能够改变所述进气阀的关闭时期的进气阀关闭时期可变机构， 所述火花点火式内燃机的控制系统中， 内燃机主体的几何压缩比设定为12以上，所述控制系统具有控制所述进气阀关闭时期可变机构的运作的控制单元， 所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，使所述进气阀的关闭时期的最延迟 角的角度位于进气下止点的延迟角侧且所述内燃机主体的几何压缩比设为ε 0时该最延 迟角的相对于进气下止点的角度量α满足以下数式(3) α 彡-0. 3591 X ε 02+14. 292 X ε 0-29. 28 (3)，并且使所述进气阀的关闭时期的最靠提前角侧的延迟角的角度位于进气下止点的延 迟角侧且该最靠提前角侧的延迟角的相对于进气下止点的角度量小于45度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于 所述控制单元控制所述进气阀关闭时期可变机构，以在所述火花点火式内燃机的内燃机起动时，在所述火花点火式内燃机的所述燃烧室内的温度越高的情况下，使所述进气阀 的关闭时期越迟。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于 所述进气阀关闭时期可变机构通过由电动机驱动来改变所述进气阀的关闭时期。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的火花点火式内燃机的控制系统，其特征在于， 所述进气阀关闭时期可变机构包括通过由连接于所述活塞的曲轴驱动来驱动所述进气阀的进气凸轮轴、以及使所述进气凸轮轴的相对于所述曲轴的相位变化的相位可变机 构，所述火花点火式内燃机包括从所述气缸内排出的废气所通过的排气通道、能够阻断 从所述气缸内向所述排气通道的废气流出的排气阀、通过由连接于所述活塞的曲轴驱动来 驱动所述排气阀的排气凸轮轴、以及供应燃料给所述燃料喷射阀的燃料泵， 所述燃料泵与所述排气凸轮轴连接并由该排气凸轮轴驱动。
全文摘要
本发明提供一种可避免异常燃烧发生且可提高内燃机运转效率的火花点火式内燃机的控制系统。该控制系统中，内燃机主体的几何压缩比设定为11以上，通过控制进气阀的关闭时期，使进气阀的关闭时期的最延迟角的角度位于进气下止点的延迟角侧且内燃机主体的几何压缩比设为ε0时该最延迟角的相对于进气下止点的角度量α为α≥-0.2685×ε02+10.723×ε0+15.815。
文档编号F01L1/344GK101994577SQ201010267069
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月20日
发明者后藤刚, 工藤秀俊, 西田正美 申请人:马自达汽车株式会社