用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法和装置的制作方法

专利名称：用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃油被直接喷射到发动机气缸的内部部分的气缸内(inner cylinder)直接喷射火花点火内燃发动机(以下，也称为直接喷射火花点火内燃发动机，或者简称为发动机)，更加具体而言，涉及用于在需要前期温升(早期激活)发动机的排气系统中的催化转化器(或称为催化剂)的冷发动机起动期间、进行燃油喷射正时和点火正时的适当控制的直接喷射火花点火内燃发动机的控制技术。
背景技术：
在2002年7月5日发布的日本专利No.3325230(与在2002年2月12日发布的美国专利No.6345499对应)说明了一种以前提出的技术，在该技术中，作为直接喷射火花点火内燃发动机的催化剂升温方法，执行至少两次(二次)分开(split)喷射，这两次分开(split)喷射包含后期喷射，用于在从吸气行程到点火正时的时间间隔内在燃烧室内形成具有部分浓或稀空燃比的空气混合燃油；前期喷射，在该前期喷射中，燃油在后期喷射前的正时被喷射，以用后期喷射的燃油和后期喷射的燃烧使火传播，以产生空燃比比理论配比空燃比更稀的空气混合燃油，当排气净化目的催化转化器处于催化转化器温度比催化转化器的激活温度低的未预热状态时，上述点火正时向比MBT(最佳转矩的最小角度)点更延迟的角侧延迟预定的量，点火正时被设置在发动机的无负荷区中的压缩(行程)上止点前，并且该点火正时被延迟到无负荷区以外的低速低负荷区中的压缩上止点后。在例如120°-45°BTDC(上止点前)的压缩行程的中间期执行上述后期喷射。

发明内容
在发动机的冷起动期间，通过催化转化器的早期激活以及通过HC(碳氢化合物)的后燃，延迟点火正时以减少HC是有效的。为了更有效地减少HC，需要在压缩(行程)上止点后的正时进行点火(所谓ATDC点火)。为了使发动机通过ATDC点火得到稳定的燃烧，必须缩短燃烧时间间隔。为了实现这个目的，必须加强在发动机气缸形成内的湍流并提高燃烧速度(火焰传播速度)。为了加强上述的这种湍流，可以认为这种湍流是由高压下喷入发动机气缸内的燃油喷雾的能量而形成的。但是，在上述日本专利公开的技术中，第一次喷射(前期喷射)在吸气行程期间进行，第二次喷射(后期喷射)在压缩行程中的120°～45°BTDC(上止点前)期间进行。这样，由于后期燃油喷射在压缩上止点前进行，因此湍流在压缩上止点后的某一时刻被衰减，并且，即使由后期喷射产生的燃油喷雾形成了发动机气缸内的湍流，这种湍流也不能通过ATDC点火加快火焰传播速度。
例如，假定考察在操作在发动机的进气口内安装的气流控制阀(例如，滚流(tumble)控制阀)的情况下以及在发动机中没有安装上述的这种气流控制阀的情况下的发动机气缸内的湍流的大小。气流控制阀的动作导致在吸气行程期间形成的湍流随着压缩行程的前进被衰减。随着在压缩行程的后期滚流的瓦解，湍流暂时变得较大。但是，湍流在压缩上止点后被迅速衰减。不能期望用这种湍流改善燃烧(改善火焰传播)。对于由燃油喷雾产生的湍流，出现相同的情况。即使形成了在压缩上止点前通过燃油喷射产生的湍流，这种湍流也无助于压缩上止点后的点火燃烧。
因此，ATDC点火在升高排气温度和降低HC方面具有优势。但是，不能建立燃烧稳定性。在上述日本专利所述的以前提出的技术中，点火正时被设置在无负荷区中的压缩上止点前(所谓BTDC点火)。
因此，本发明的目的在于，提供可以改善使催化剂(催化转化器)在发动机起动的早期阶段激活的ATDC点火的燃烧稳定性并减少HC(碳氢化合物)的用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法和装置。
根据本发明的一个方面，提供用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，该直接喷射火花点火内燃发动机包含燃油喷射阀，被配置为将燃油直接喷射到发动机气缸中；和火花塞，该控制方法包含以下步骤在发动机的冷起动期间，进行超延迟燃烧，该超延迟燃烧包含在压缩上止点后的正时通过火花塞进行的点火和在压缩上止点后、点火前的正时开始燃油的喷射的至少一次燃油喷射；在紧跟发动机的冷起动后的预定时间间隔禁止超延迟燃烧的进行。
根据本发明的另一方面，提供用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制装置，该直接喷射火花点火内燃发动机包含燃油喷射阀，被配置为将燃油直接喷射到发动机气缸中；和火花塞，该控制装置包含以下部件超延迟燃烧执行部分，被配置为在发动机的冷起动期间进行超延迟燃烧，该超延迟燃烧包含在压缩上止点后的正时通过火花塞进行的点火、和在压缩上止点后、点火前的正时开始通过各燃油喷射阀的燃油的喷射的至少一次燃油喷射；和禁止部分，被配置为在紧跟发动机的冷起动后的预定时间间隔禁止超延迟燃烧的进行。
本发明内容部分未必说明所有的必需的特征，因此本发明可以是这些所述的特征的再组合。


图1是表示可应用根据本发明的控制方法的整个直接喷射火花点火内燃发动机的系统配置图。
图2是在根据本发明的控制方法的第一、第二、和第三优选实施例的每一个中进行的超延迟燃烧的第一、第二和第三例子的特性图。
图3是表示图1所示的发动机刚冷起动后HC(碳氢化合物)的形成量的特性线的特性图。
图4A和图4B是表示超延迟燃烧(图4A)和压缩行程喷射和BTDC(上止点前)点火(图4B)的例子的特性图。
图5是包含控制方法的第一实施例的、表示图1中所示的发动机刚冷起动后的排气温度的特性线的特性图。
图6是表示在根据本发明的控制方法的第一实施例中进行的燃烧控制的例子的流程图。
图7是用于推算图1中所示的发动机冷起动后的气缸内温度的说明图。
图8是表示在第一实施例中进行的燃烧控制的另一例子的流程图。
图9是用于推算图1中所示的发动机冷起动后的排气温度的说明图。
图10是表示在第一实施例中进行的燃烧控制的又一例子的流程图。
图11A、图11B和图11C是整体表示在根据本发明的控制方法的第二优选实施例中、图1中所示的发动机起动后的燃油喷射正时和点火正时的系列设置的例子的特性图。
图12是包含根据本发明的控制方法的第二实施例的、表示发动机刚冷起动后HC(碳氢化合物)的排放量的特性图。
图13是包含根据本发明的控制方法的第二实施例的、表示发动机刚冷起动后的排气温度的特性图。
图14是表示在根据本发明的控制方法的第二实施例中进行的温升段中的燃油喷射正时和点火正时的另一设置例子的特性图。
图15是表示在根据本发明的控制方法的第二实施例中进行的温升段中的燃油喷射正时和点火正时的又一设置例子的特性图。
图16A和图16B是包含根据本发明的控制方法的第三实施例的、表示图1中所示的发动机刚冷起动后的排气温度和HC的排放量的特性图。
图17A和图17B是表示在控制方法的第三实施例中的、超延迟喷射和温升段的设置例子的特性图。
图18是在根据本发明的控制方法的第三实施例中的、燃油喷射正时和点火正时的另一例子的特性图。
图19是表示在根据本发明的第三实施例中进行的燃烧控制的例子的流程图。
图20是表示在根据本发明的控制方法的第三实施例中进行的燃烧控制的另一例子的流程图。
图21是表示在根据本发明的控制方法的第三实施例中进行的燃烧控制的又一例子的流程图。
具体实施例方式
以下，为了可以更好地理解本发明，对附图进行参照。
(第一实施例)图1示出可应用根据本发明的控制方法的直接喷射火花点火内燃发动机的系统配置。在根据本发明的第一优选实施例中，在需要在发动机的排气系统中设置的催化转化器早期温升的发动机的冷起动期间，进行点火正时被设置在压缩(行程)上止点后且燃油在该点火正时前、压缩上止点后被喷射的这种超(super)延迟燃烧。并且，超延迟燃烧在紧跟在发动机起动后的预定时间间隔内被禁止。注意，所使用的术语“紧跟在......后”意思与“......完成时”相同。
进气(空气)通道4通过进气门与由发动机1的活塞2形成的燃烧室3相连。排气(气体)通道5通过排气门与燃烧室3相连。空气流量计6被设置在进气通道4内，以检测进气量。设置电控节气门7，该电控节气门7的开口角度响应控制信号由致动器8控制。在排气(气体)通道5内设置排气净化目的催化转化器10。分别在催化转化器10的上游侧和下游侧安装空燃比传感器11和12。排气温度传感器13被设置在上游侧空燃比传感器11的邻近部分，用于检测催化转化器10的入口侧的排气温度。在燃烧室3的中心顶部上设置火花塞14。燃油喷射阀(或燃油喷射器)15被设置在燃烧室3的进气通道4的一侧，以直接将燃油喷射到燃烧室3内。通过高压燃油通道18将压力被高压燃油泵16和压力调节器17调节为预定的压力的给定量的燃油供给燃油喷射阀15。由此，当用于各气缸的燃油喷射阀15响应控制脉冲被打开时，数量随阀打开间隔变化的燃油被喷射到相应的燃烧室3内。注意，附图标记19表示用于检测燃油压力的燃油压力传感器，附图标记20表示低压燃油泵，燃油通过该低压燃油泵被供应到高压燃油泵16。
另外，在发动机1内设置用于检测发动机冷却液温度的冷却液温度传感器21和用于检测发动机1的曲轴转角(CA)的曲轴转角传感器22。并且，设置用于检测车辆驾驶员作用的油门踏板的压下量(油门的操纵变量)的油门开度传感器23。
由控制单元25控制发动机1的燃油喷射量、燃油喷射正时和点火正时。该控制单元25从上述各种传感器输入检测信号。控制单元25确定燃烧方法，即，燃烧是均匀燃烧还是层状燃烧，同时通过燃油喷射阀15、火花塞14的点火正时等控制燃油喷射正时和燃油喷射量。注意，作为一般的层状燃烧驱动，在发动机预热结束后，在预定的低速低负荷区，在压缩行程期间的适当的正时进行燃油喷射，并且，在压缩行程上止点前的正时进行燃油的点火。燃油喷雾被以层化的形式收集到火花塞14附近。因此，可以实现空燃比为约30～40的极稀的层状燃烧。另外，作为一般的均匀燃烧驱动，在预定的高速高负荷区中，在吸气行程期间的某一正时进行燃油喷射，并且，在与压缩上止点前的MBT(最佳转矩的最小角度)点接近的正时进行点火。在这种情况下，燃油在相应的气缸内变成均匀的空气混合物燃油。这种均匀的燃烧驱动包含根据发动机驱动条件，空燃比被设置为理论配比空燃比的均匀理论配比燃烧、和空燃比被设置为约20～30的稀状态的均匀稀燃烧。
在第一实施例中，在需要(要求)催化转化器10早期温升的发动机1的冷起动期间，进行超延迟燃烧，使得排气温度升高。以下，将参照图2说明超延迟燃烧中的燃油喷射正时和点火正时。
图2表示超延迟燃烧的三个例子。在第一例子中，点火正时被设置在15°～30°ATDC(上止点后)(例如，20°ATDC)，且燃油喷射正时(全称为燃油喷射开始正时)被设置为压缩上止点后和点火正时前。注意，此时，空燃比被设置为理论配比空燃比或比理论配比空燃比稍稀(约16～17)。
也就是说，为了促进催化剂(催化转化器10)的预热并减少HC(碳氢化合物)，可以延迟点火正时是有效的。从而，需要压缩上止点后的点火(所谓ATDC点火)。但是，为了通过ATDC点火使发动机1稳定燃烧，必须缩短燃烧时间间隔。为了缩短燃烧时间间隔，必须促进由湍流产生的火焰传播。如上所述，在吸气行程和压缩行程形成的湍流被衰减。但是，在根据本发明的本实施例中，在压缩上止点后的膨胀行程期间进行的高压燃油喷射使得气流形成。这种气流会使气缸内的湍流形成并加强。由此，ATDC点火时的火焰传播得到促进，使得可以建立稳定的燃烧。
图2中的第二例子是燃油喷射被分为两次燃油喷射的例子。第一次燃油喷射在吸气行程期间的某一时刻进行，第二次燃油喷射在压缩上止点后的某一时刻进行。注意，点火正时和空燃比(两次喷射的总空燃比)与第一例子相同。
如第二例子那样，当在压缩上止后的燃油喷射(膨胀行程喷射)前进行吸气行程期间的燃油喷射(吸气行程喷射)时，由吸气行程喷射的燃油喷雾产生的湍流在压缩行程的后一半中被衰减，且很难在压缩行程上止点后对气流加强产生影响。但是，燃油燃烧扩散到整个燃烧室，因此燃油燃烧通过ATDC点火有助于促进HC的后燃。由此，本第二例子可以有效减少HC并升高排气温度。
另外，在图2中的第三例子中，燃油喷射被分为两次，第一次燃油喷射在压缩行程中进行，第二燃油喷射在压缩上止点后进行。在第三实施例中，在压缩上止点后的燃油喷射(膨胀行程喷射)前，进行压缩行程(压缩行程喷射)期间的燃油喷射。在这种情况下，与第二例子中的吸气行程燃油喷射相比，压缩行程燃油喷射延迟了由压缩行程喷射的燃油喷雾产生的湍流的衰减。由此，保留了由第一次燃油喷射产生的湍流。第二次燃油喷射在压缩上止点后进行，使得湍流可以被加强以促进在第一次燃油喷射中形成的湍流，并且可以实现与压缩上止点邻近的进一步的气流加强。
在第三例子的情况下，第一次压缩行程喷射可以在压缩行程的前一半中进行。但是，如果第一次喷射被设置到压缩行程的后一半(90°BTDC后)，那与上止点接近的湍流可以进一步增加。特别地，如果该第一次压缩行程喷射在45°BTDC后，或者如期望的那样在20°BTDC后进行，那么压缩上止点后的气流可以被进一步加强。
如上所述，根据参照图2说明的第一、第二和第三例子的超延迟燃烧，可以通过紧靠点火前的燃油喷雾形成和加强气缸内的湍流，并可促进火焰传播。另外，可以实现稳定的燃烧。特别地，由于点火正时被延迟到15°～30°ATDC，因此可以实现早期激活催化转化器10，并可以实现减少HC的充分的后燃效果。换句话说，即使点火正时被延迟，燃油喷射也会在紧靠点火正时前被延迟，以延迟(延缓)湍流的形成正时。因此，可以通过改善火焰传播使燃烧得到改善。
换句话说，在上述超延迟燃烧中，由于燃油喷射在压缩上止点后进行，因此，从燃油喷射到点火的时间间隔即燃油汽化时间变短。由此，在紧跟气缸内温度(即，燃烧室壁温度)非常低的发动机1的冷起动后的时间间隔期间(例如，在从几秒到几十秒的时间间隔期间)，存在未燃烧HC的形成量随燃油的不充分汽化增加的趋势。另外，在就在上述的这种冷起动后，排气系统温度也较低。排气通道5内的HC的氧化(或者氧化作用)没有得到充分促进。在气缸内形成的未燃烧HC变得在没有氧化(或氧化作用)的情况下很容易地、直接地被排放到发动机1的外面。
图3示出就在上述的这种冷起动后的HC形成量的特性图。在图3中，特性线A表示在图4A所示的超延迟燃烧的情况下(与图2中的第一例子相同)的HC的形成量，特性线B表示在图4B中所示的燃烧的情况下(进行压缩行程燃油喷射和压缩上止点前的点火)的HC的形成量。如图3所示，对于超延迟燃烧特性线A，在紧跟气缸内温度非常低的冷起动后的预定时间间隔中，HC形成量变得比特性线B大。然后，当气缸内温度变得有些热时，HC形成量变得非常少。
因此，根据第一实施例，超延迟燃烧在紧跟冷起动后的预定时间间隔(例如，特性线A中的HC形成量比特性线B大的时间间隔)内被禁止，且燃烧模式是例如压缩行程燃油喷射，并且，如图4B所示进行BTDC点火。结果，得到由图3中的点划线的特性线表示的HC形成量。
另一方面，衰减对排气温度的特性产生影响。如图5所示，与特性线A的超延迟燃烧相比，在特性线B中排气温度缓慢上升。但是，在从发动机起动到时间点T1的时间间隔内，即使超延迟燃烧被禁止且压缩行程燃油喷射和BTDC点火被执行(参见图4B)，在燃烧模式切换到超延迟燃烧后，排气温度的上升也会如图5中的点划线所示变快。由此，作为最终目标的激活催化转化器所需要的时间与从开始(即，从冷起动发动机1的时刻)燃烧模式就是特性线A表示的超延迟燃烧模式的情况基本相等。
图6是表示在发动机的冷起动的某一时刻由控制单元25执行的燃烧控制过程的例子的流程图。在步骤S1，如果控制单元25检测到发动机1已起动，那么例程前进到步骤S2。在步骤S2，控制单元25推算(目前的)气缸内温度。在步骤S3，控制单元25确定推算的气缸内温度是否已达到预定温度Prein(预定温度是燃油汽化所需的气缸内的最低温度)。如图7所示，在发动机1起动后，气缸内温度以一定的时间常数逐渐升高，且可以通过诸如发动机1起动期间的冷却液温度、累积进气量、发动机转速、负荷等参数对其进行推算。并且，为了简化图6中所示的控制过程，控制单元25可以简单地根据从起动发动机1的时间算起的过去时间(passage time)确定气缸内温度是否已达到预定温度Prein。
如果控制单元25确定气缸内温度没有达到预定温度Prein，那么在气缸内温度达到预定温度的时间内，超延迟燃烧被禁止，例程前进到步骤S4。在步骤S4中，控制单元4执行其中如图4所示进行压缩行程燃油喷射和BTDC点火的燃烧模式。如果气缸内温度已达到预定温度Prein(步骤S3为“是”)，例程前进到步骤S5，在步骤S5，控制单元25执行图2中所示的超延迟燃烧。注意，虽然如图2中所示的第一例子那样进行超延迟燃烧，但也可以进行如图2所示的诸如第二或第三例子的分开(split)喷射。还应注意，在步骤S4执行的燃烧模式可以为公知的均匀燃烧、公知的层状燃烧或进行吸气行程燃油喷射(吸气行程期间的燃油喷射)和压缩行程燃油喷射(压缩行程期间的燃油喷射)的BTDC点火。
下面，图8示出表示其间根据排气温度超延迟燃烧被禁止的时间间隔的定义的另一例子的流程图。详细地说，在紧跟排气系统温度很低的发动机冷起动后，排放通道5内的HC的氧化没有被充分促进，在发动机气缸内形成的未燃烧HC变得直接地、很容易地排放到外面。但是，如果排气温度变得有些高，那么未燃烧HC在排放通道5内被氧化。图8中示出的该流程与图6类似。如果发动机1被起动，则例程从步骤S1前进到步骤S2′。在步骤S2′，控制单元25从排气温度传感器13读取检测的排气温度。在步骤S3′，控制单元25确定读取的排气温度是否已达到预定温度Preex(燃油汽化所需的最低温度)。如图9所示，排气温度在发动机1起动后以一定的时间常数(constant)逐渐升高。由此，可以使用诸如起动后的冷却液温度、累积进气量、发动机转速、负荷等参数对排气温度进行推算，以代替通过排气温度传感器13进行直接检测。为了进一步简化控制，可以基于从发动机1的起动算起的过去时间，确定排气温度是否达到预定温度Preex。
在步骤S3′，如果控制单元25确定排气温度没有达到预定温度Preex(步骤S3′为“否”)，那么在排气温度达到预定温度的时间间隔内，超延迟燃烧被禁止，并且例程前进到步骤S4。在步骤S4，控制单元25执行其中如图4B所示进行压缩行程燃油喷射的BTDC点火。如果排气温度达到预定温度Preex(步骤S3′为“是”)，那么控制单元25在步骤S5中执行超延迟燃烧。要执行的该超延迟燃烧包含如图2中所示的第一例子。但是，可以执行图2中所示的第二例子或图2中所示的第三例子。在步骤S4中执行的燃烧模式可以包含公知的均匀燃烧、公知的层状燃烧、或其中进行吸气行程喷射和压缩行程燃油喷射的BTDC点火。
图10表示由控制单元25执行的燃烧控制的又一例子的流程图，表示其间超延迟燃烧同时基于气缸内温度和排气温度被禁止的时间间隔的定义。注意，简单地通过从发动机1的起动算起的过去时间推算气缸内温度，并通过排气温度传感器13直接检测排气温度。但是，可以用上述的其它参数对这些温度进行推算。在步骤S1中，如果控制单元25确定发动机1已起动，那么例程前进到步骤S2″。在步骤S2″，控制单元25从在控制单元25内安装的计时器读取从发动机1起动的时间算起的过去时间，并且，在步骤S3″，控制单元25从排气温度传感器13读取检测的排气温度。然后，在步骤S4′，控制单元25确定从发动机1起动算起的过去时间是否达到预定的时间Pretm(气缸内温度达到燃油汽化所需的温度的时间)，并且，在步骤S5′，控制单元25确定排气温度是否已达到预定温度Preex(上述HC氧化所需的最低温度)。
在步骤S4′或步骤S5′中的任一个或两个中，如果从发动机1起动算起的过去时间或排气温度没有达到预定的时间Pretm或预定温度Preex，则超延迟燃烧被禁止，且例程前进到步骤S6，在该步骤S6，如图4B所示进行压缩行程燃油喷射和BTDC点火。如果发动机1起动后的过去时间已达到预定的时间Pretm，并且排气温度已达到预定温度Preex，那么例程前进到步骤S7，在该步骤S7，控制单元25执行超延迟燃烧。注意，如上所述，除了图2中所示的第一例子外，超延迟燃烧还可以包含图2中所示的第二和第三例子中的每一个所示的分开喷射。步骤S6中的燃烧模式可以包含公知的均匀燃烧、公知的层状燃烧和其中进行吸气行程燃油喷射和压缩行程燃油喷射的BTDC点火。
(第二实施例)在用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法的第二实施例中，在需要早期激活催化转化器10的冷起动期间，进行超延迟点火，其中，点火正时被设置在压缩上止点后，并且燃油在该点火正时前、压缩上止点后被喷射。另外，在紧跟发动机冷起动后的预定时间间隔中，超延迟燃烧被禁止，并且，在燃烧模式从其间超延迟点火被禁止的预定时间间隔向超延迟燃烧转换的期间，执行点火正时被设置到比超延迟燃烧时的点火正时更提前的角侧(angle side)的温升段(temperature rise phase)。
也就是说，在压缩上止点后，在吸气行程和压缩行程中形成的湍流被衰减。但是，可以通过在压缩行程上止点后的膨胀行程期间进行的燃油喷射，形成和加强气缸内的湍流，并且可以促进ATDC点火时的火焰传播。由此，稳定地建立点火正时被设在上止点后的超延迟燃烧。
在超延迟燃烧期间，由于气体体积随燃烧效率的降低而增加(即，得到相同转矩所需的进气量增加)，因此存在未燃烧，HC自身的形成量增加的趋势。然后，由于在发动机1刚冷起动后排气系统温度较低，因此HC的氧化不能被充分地促进。在发动机气缸内形成的未燃烧的HC变得很容易地、直接地排放到发动机1的外面。换句话说，如果在紧跟发动机1的冷起动后进行超延迟燃烧，从发动机1的排气系统排放到外面的HC会暂时增加。
为了解决上述问题，在根据本发明的控制方法的第二实施例中，这种超延迟燃烧在紧跟发动机1冷起动后的极短时间间隔内被禁止。在超延迟燃烧被禁止的极短时间间隔内，例如，吸气行程和压缩行程期间的燃油喷射被执行，并点火正时被设在压缩上止点前。然后，当燃烧模式从超延迟燃烧禁止时间间隔转换为超延迟燃烧时，执行点火正时被设置到比超延迟燃烧更提前的角侧的温升段。在温升段中，虽然排气温度比超延迟燃烧稍低，但未燃烧HC的形成量变少，使得在排气系统温度较低的阶段中HC排放量的暂时增加可被抑制，同时可以升高排气系统温度。
已参照图1在第一实施例中说明了可应用第二实施例的控制方法的直接喷射火花点火内燃发动机的系统配置。另外，已参照图2说明了超延迟燃烧的三个例子(也可应用于第二实施例)。因此，这里将忽略其详细说明。
在上述超延迟燃烧中，在压缩上止点后进行燃油喷射。因此，燃烧效率降低。另外，由于得到相同转矩所需的进气量增加，因此，存在由于其气体体积增加使得未燃烧HC自身的形成量增加的趋势。在发动机1刚冷起动后，排气系统温度较低。因此，排放通道5内的HC的氧化没有得到充分促进。气缸内的未燃烧HC很容易地、直接地被排放到外面。
为了解决上述问题，在第二实施例中，紧跟发动机1的冷起动后，喷射正时和点火正时的设置被立即切换为三个阶段。图11A、图11B、图11C整体表示在三个阶段中改变的喷射正时和点火正时的设置的例子。紧跟冷起动后，首先，立即通过控制单元25执行图11A中所示的后起动段。在后起动段中，在压缩行程期间仅进行一次燃油喷射，并在压缩上止点前的正时进行点火。然后，执行图11B中所示的温升段。在该温升段中，燃油喷射被分为两次喷射。第一次喷射在压缩行程期间进行，第二次喷射在压缩上止点后进行。然后，在压缩上止点后进行点火。注意，在图11B中所示的温升段中，从压缩上止点的点火正时的延迟角度量相对较小。然后，通过控制单元25执行图11C中所示的超延迟燃烧。在这种情况下，执行图2中所示的第三例子。也就是说，燃油喷射被分为两次喷射，第一次喷射在压缩行程期间的正时进行，第二次喷射在压缩上止点后的正时进行。然后，在压缩上止点后的正时进行点火。在这种超延迟燃烧中，与温升段中的点火正时相比，从压缩上止点的点火正时的延迟角度量较大。另外，温升段中的从第二次燃油喷射开始正时到点火正时的间隔T2′比超延迟燃烧的情况下的间隔T1′相对较大(宽)。因此，燃烧汽化时间变长，冷起动中的HC产生(形成)被抑制。
图12示出根据上述三种设置的、紧跟发动机1的冷起动后的一定持续时间内的HC排放量的特性。如图12所示，在超延迟燃烧的特性线CC中，HC的排放量在紧跟发动机1的冷起动后的预定时间间隔内非常高，然后迅速减少。对于后起动段特性线AA，紧跟冷起动后的持续时间内的HC的排放量很低，然后，HC的排放量的增加的程度变小。在一定的时间点后，HC的排放量变得比超延迟燃烧的情况(特性线CC)大。温升段的情况下的特性线BB具有特性线AA和CC之间的中间特性。在图12中所示的从进行发动机1的冷起动的时间点到时间点t1的时间间隔中，温升段中的HC的排放量(特性线BB)比后起动段的情况(特性线AA)大。在图12中所示的一定时间点t2后，特性线BB的情况下的HC的排放量比图12中所示的超延迟燃烧的特性线CC大。但是，在特性线BB中，在图12中所示的从时间点t1到时间点t2的时间间隔内，温升段的情况下的HC排放量特性线BB变成在三个特性线AA、BB、CC中最小的一个。
在第二实施例中，在图12中所示的从进行发动机1的起动的时间点到时间点t1的时间间隔内，执行图11A中所示的后起动段，在图12中所示的从执行完后起动段的时间点t1到时间点t2的时间间隔内，执行图11B中所示的温升段，并且，在图12中所示的时间点t2后，执行图11C中所示的超延迟燃烧。因此，HC的排放量提供由图12中的点划线表示的特性线。结果，可以避免在紧跟发动机1的起动后的时间间隔中的HC的量的暂时增加。
另外，衰减对排气温度的特性产生影响。如图13所示，与特性线CC中的超延迟燃烧相比，特性线BB的温升段的温度升高较慢，特性线CC中的后起动段中的温度升高更慢。但是，由于从时间点t1到时间点t2的实际时间间隔非常短，因此燃烧模式通过图11B中所示的温升段从图11A中所示的后起动段切换到图11C中所示的超延迟燃烧，即，如图13中所示，依次从特性线AA和BB切换到CC。催化剂(催化转化器10)被激活的所需时间(时间段)几乎与超延迟燃烧首先连续执行(参考图13所示的特性线AA和第二实施例)的情况相同。
图12和图13中所示的上述时间点t1和t2根据催化转化器10的入口侧的排气温度确定(限定)。换句话说，根据由排气温度传感器13检测的排气温度是否已达到第一设置温度和第二设置温度，喷射正时和点火正时的设置以上述方式被切换。由于排气温度在发动机起动后以一定的时间常数逐渐增加，因此，可以使用发动机1的起动后的冷却液温度、累积的进气量、发动机转速、负荷等参数推算排气温度，以取代用排气温度传感器13进行直接检测。并且，为了进一步将控制简化，可以仅使用从发动机1的起动算起的过去时间，用于以上述方式对喷射正时和点火正时的设置进行切换。注意，虽然在第二实施例中使用了超延迟燃烧的第三例子，但可以将第一或第二例子中的超延迟燃烧应用于本实施例中。
图14和图15表示在第二实施例中的上述温升段的情况下的、喷射正时和点火正时的不同设置的例子。在图14中所示的例子中，燃油喷射两次，第一次喷射接近吸气下止点(BDC)，第二次喷射接近压缩上止点(TDC)。如图14所示，点火正时被设置在压缩上止点后。在图15中的另一个例子中，第一次燃油喷射在吸气行程期间进行，第二次燃油喷射在压缩行程期间进行。如图15所示，点火正时被设置在压缩上止点前。
(第三实施例)在根据本发明的控制方法的第三优选实施例中，在要求催化转化器10早期温升的发动机1的冷起动的时刻，进行点火正时被设置在压缩(行程)上止点后、且燃油在点火正时前、压缩上止点后的正时被喷射的超延迟燃烧。另外，在进行该超延迟燃烧前，在紧跟发动机1的冷起动后的预定时间间隔中，执行点火正时被设置在比超延迟燃烧的情况更提前的角侧并被设置在压缩上止点后的温升段。
也就是说，在压缩上止点后，在吸气行程和压缩行程期间形成的湍流被衰减。但是，可以通过在压缩行程上止点后的膨胀行程期间进行的燃油喷射，形成和加强气缸内的湍流，并且可以促进通过ATDC点火进行的火焰传播。由此，稳定地建立了点火正时被设置在压缩上止点后的超延迟燃烧。
在超延迟燃烧中，由于气体体积随燃烧效率的降低而增加(即，得到相同转矩所需的进气量增加)，因此存在未燃烧HC自身的形成量增加的趋势。那么，由于刚冷起动后排气系统温度较低，因此HC的氧化不能被充分促进。换句话说，如果在发动机1的冷起动后立即进行超延迟燃烧，那么从排气系统排放到外面的HC的量会暂时增加。
为了解决上述问题，在根据本发明的控制方法的第三实施例中，在紧跟发动机1的冷起动后的极短时间间隔内，作为温升段，点火正时被设置为比超延迟燃烧的情况稍微提前的角侧，尽管点火正时与压缩上止点后的点火定时相同。换句话说，燃烧模式从温升段转换为超延迟燃烧。在温升段中，虽然排气温度比超延迟燃烧中稍低，但由于点火正时被设置在更提前的角侧，因此燃烧效率变得比超延迟燃烧高。另外，气体体积相对减少。由此，未燃烧HC的形成量总体变少，使得在可以抑制排气系统温度较低的阶段中的HC排放量的暂时增加的同时，可以升高排气系统温度。
以上已参照图1在第一实施例中说明了可应用根据本发明的第三实施例中的控制方法的直接喷射火花点火内燃发动机的系统配置。另外，已参照图2说明了超延迟燃烧的三个例子(也可以应用于第三实施例)。因此，这里忽略其详细说明。
图16A和图16B表示发动机1刚冷起动后的HC的形成量和排气温度的特性。在图16A和16B中，点线AAA表示在发动机刚冷起动后(时)开始图17A中所示的超延迟燃烧(与图2中所示的第一例子相同)的情况下，紧跟发动机1的冷起动后的HC的形成量和排气温度的特性线。从图16A和16B可以看出，在超延迟燃烧的情况下，在刚进行气缸内温度非常低的发动机1的冷起动后(时)的时间间隔中，由气体体积增加和不充分的燃油汽化导致的HC的形成量变大。然后，当气缸内温度有些升高时，HC的形成量非常低。
在第三实施例中，在紧跟发动机1的起动后的预定时间间隔(例如，到图16A和图16B中的时间点t1)内，设置气体体积的增加受到抑制的温升段。在经过温升段后，燃烧模式转换为超延迟燃烧。
图17B表示准备在图17A中所示的超延迟燃烧之前执行的温升段的设置的例子。在图17B中所示的该例子中，燃油喷射在压缩上止点前进行，点火在压缩上止点后进行。注意，图17B中所示的温升段中的点火正时被设置在比超延迟燃烧的情况下的点火正时提前的角侧。换句话说，超延迟燃烧情况下的点火正时被向达到可以建立燃烧的极限的延迟角侧设置。然而，温升段中的点火正时被设置在压缩上止点后，但为了提高燃烧效率，被设置在比超延迟燃烧的情况中的点火正时更提前的角侧(不是被设置在达到燃烧极限的延迟角侧)。因此，例如，保持相同的怠速转速所需要的进气量(用更严格的话说，进气量和燃油量)如超延迟燃烧的情况那样变得相对较小，并且在排气温度较低的初始阶段中的HC的形成量的总量变小。另外，从燃油喷射开始正时到点火正时的间隔“T2”比超延迟燃烧时的间隔“T1”大(宽)。因此，在温升段中，燃油的汽化时间变长，并且冷起动状态中的HC的形成受到抑制。
图16A和图16B中所示的实线BBB表示在温升段从图16A和图16B中所示的进行发动机1的冷起动的时间点到时间点t1被执行的情况下的形成量和排气温度。如图16A和图16B所示，在发动机1冷起动后立即执行其间气体体积较小的温升段，使得可以避免HC的排放量的暂时增加。另外，衰减对给排气温度产生影响。如图16A所示，与从发动机1的冷起动后的第一时间进行的超延迟燃烧的情况下表示的点线AAA相比，实线BBB表示发动机1起动的初始阶段的温度升高较慢。但是，即使在温升段中，通过ATDC点火，排气温度升高也较高。另外，在燃烧模式在图16A和图16B中所示的时间点t1从温升段切换到超延迟燃烧后，超延迟燃烧导致排气温度迅速升高。因此，作为最终目的的激活催化转化器(催化剂)10所需的时间与从发动机1的冷起动的第一时间进行超延迟燃烧的情况基本相同。注意，与第一实施例的情况相同，图16A和图16B中所示的进行发动机1的冷起动的时间点到时间点t1的预定时间间隔是例如几秒到几十秒。还应注意，从图16A和图16B可以看出，从进行发动机1的冷起动的时间点到温升段被切换为超延迟燃烧的、图16A和图16B中所示的时间点11的时间间隔优选被设为，基本与这样一种时间间隔一致，即，在该时间间隔内，在表示上述的时间间隔期间的温升段的特性线BBB的情况下的HC的排放量、比在表示从发动机1起动首先开始紧跟在发动机1的冷起动后进行的超延迟燃烧的特性线AAA的情况下的HC的排放量小。
图18表示与图17B中所示的温升段不同的温升段的另一设置例子。在该例子中，燃油喷射被分为两次燃油喷射。第一次和第二燃油喷射在压缩行程期间的正时进行。另外，从第二次燃油喷射的开始正时到点火正时的间隔T3″比超延迟燃烧的情况下的(图17中所示的)从燃油喷射的结束正时到点火正时的间隔T1″大(宽)。图18的该例子中的点火正时以与图17B中所示的例子相同的方式被设置在压缩上止点后，并且比超延迟燃烧的情况下的点火正时向更提前的角侧被设置。
图19示出表示将在发动机1的冷起动期间执行的燃烧控制过程的流程图。注意，以与参照图6所述的方式相同的方式，实施图18中的与图6中所示的步骤编号相同的步骤编号，并且这里忽略对相同步骤编号的说明。在图19中，如果控制单元25确定气缸内温度还没有达到预定温度Prein，那么例程前进到步骤S4′，在该步骤S4′中，控制单元25执行温升段。也就是说，在气缸内温度还没有达到预定温度Prein的时间间隔内，控制单元25执行上述的温升段。如果控制单元25确定气缸内温度达到预定温度Prein，那么例程前进到步骤S5，在该步骤S5中，进行超延迟燃烧。注意，虽然在图2中所示的第一例子中采用超延迟燃烧，但也可以使用图2中所示的第二例子或图2中所示的第三例子。另外，步骤S4′中的温升段不限于图17B或图18中所示的温升段，而是可以以各种方式被设置。
图20示出表示其间基于排气温度执行温升段的时间间隔的定义的另一例子的流程图。也就是说，在紧跟排气系统温度较低的发动机1的冷起动后，排气通道5中的HC的氧化没有立即被充分促进，并且未燃烧HC变得很容易地、直接地排放到发动机1的外面。但是，当排气温度变得有些高时，未燃烧HC在排气通道5中被氧化。图20中所示的流程图与图19中所示的流程图的例子类似。如果控制单元25确定发动机1已起动，那么例程前进到步骤S2′，在该步骤S2′中，控制单元25读取排气温度。在步骤S3′，控制单元25确定排气温度是否已达到预定温度Preex。如图9所示，排气温度在发动机1起动后以一定的时间常数逐渐升高。可以通过使用诸如发动机1起动期间的冷却液温度、累积的进气量、发动机转速和负荷对排气温度进行推算，以替代通过排气温度传感器13进行直接检测。并且，为了简化图20中所示的燃烧控制，可以只用从发动机1的起动算起的过去时间，确定排气温度是否达到预定温度Preex。在步骤S3′，如果控制单元25确定排气温度还没有达到预定温度Preex，那么例程前进到步骤S4′，在该步骤S4′，控制单元25执行上述温升段，直到排气温度达到预定温度Preex。如果排气温度已达到预定温度Preex，那么例程前进到步骤S5，在该步骤S5，控制单元25执行超延迟燃烧。
下面，图21示出表示在同时考虑气缸内温度和排气温度时温度升高的定义的另一例子的流程图。注意，在图21的该流程中，仅通过指示从发动机1的起动算起的过去时间，指示气缸内温度，通过排气温度传感器13，直接检测排气温度。可以使用上述(多个)参数推算这些温度。在步骤S1，如果控制单元25确定发动机1的冷起动已开始，则例程前进到步骤S2″。在步骤S2″，控制单元25读取从发动机起动的时间点算起的过去时间。在步骤S3″，控制单元25读取由排气温度传感器13检测的排气温度。然后，在步骤S4′，控制单元25确定从发动机1的起动算起的过去时间是否已达到预定时间Pretm(该预定时间与气缸内温度可以达到燃油汽化所需的气缸内温度的持续时间对应)。然后，在步骤S5′，控制单元25确定检测的排气温度是否已达到预定温度Preex(HC的氧化所需要的温度)。
在图21中所示的步骤S4′或步骤S5′，如果控制单元25确定过去时间还没有达到预定时间Pretm，或者，排气温度没有达到预定温度Preex，则例程前进到步骤S6′。在步骤S6′，控制单元25执行上述温升段。如果从进行发动机1的冷起动的时间算起的过去时间已达到预定时间Pretm，并且排气温度已达到预定温度Preex，那么例程前进到步骤S7，在该步骤S7，控制单元执行超延迟燃烧。虽然超延迟燃烧如图2中所示有三个例子，但在图21中的流程图中可以使用图2中所示的三个例子中的任何一个。注意，图2、图4A、图4B、图11A、图11B、图11C、图14和图15中所示的TDC表示压缩上止点，其中所述的BTC表示下止点，并且其中所述的各矩形形状代表燃油喷射量和燃油喷射的开始和结束正时。
本申请基于在2004年9月30目提交的在先的日本专利申请No.2004-285590、在2004年10月15日提交的在先的日本专利申请No.2004-300993和在2004年10月18日提交的在先的日本专利申请No.2004-302341。由此引入这些日本专利申请No.2004-285590、No.2004-300993和No.2004-302341的全部内容作为参考。
尽管以上参照本发明的某些实施例已描述了本发明，但本发明不限于上述的实施例。鉴于上述教导，本领域技术人员可对上述实施例进行各种修改和变化。参照下列权利要求，本发明的范围被限定。
权利要求
1.一种直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，所述直接喷射火花点火内燃发动机包含燃油喷射阀，被配置为将燃油直接喷射到发动机气缸内；和火花塞，所述控制方法包含在所述发动机的冷起动期间，执行超延迟燃烧，该超延迟燃烧包含在压缩上止点后的正时通过所述火花塞进行的点火，和至少一次燃油喷射，其中在所述压缩上止点后且在所述点火前的正时开始所述燃油喷射；以及在紧跟所述发动机的冷起动后的预定时间间隔内，禁止所述超延迟燃烧的执行。
2.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，当所述超延迟燃烧的执行被禁止时，在所述压缩上止点前的正时进行所述燃油喷射。
3.如权利要求2所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，当所述超延迟燃烧的执行被禁止时，在所述压缩上止点前的正时进行所述点火。
4.如权利要求2所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，当所述超延迟燃烧的执行被禁止时，在所述压缩上止点后的正时进行所述点火。
5.如权利要求4所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，所述压缩上止点后的所述点火正时被设置到比在所述超延迟燃烧的执行期间进行的所述点火正时更提前的角侧。
6.如权利要求4所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，从燃油喷射开始正时到所述点火正时的间隔比所述超延迟燃烧期间进行的从所述燃油喷射开始正时到所述点火正时的间隔大。
7.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，当燃烧模式从禁止所述超延迟燃烧的执行转换为所述超延迟燃烧时，温升段被执行，在所述温升段中，点火正时被设置到向比所述超延迟燃烧更提前的角侧。
8.如权利要求7所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，所述温升段中的所述燃油喷射正时被设置到比在所述超延迟燃烧中进行的所述燃油喷射正时更提前的角侧。
9.如权利要求7所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，所述温升段中的从燃油喷射开始正时到所述点火正时的间隔比所述超延迟燃烧期间进行的从所述燃油喷射开始正时到所述点火正时的间隔大。
10.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，所述超延迟燃烧中的点火正时被设置为所述压缩上止点后的15°CA～30°CA。
11.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，在所述超延迟燃烧中，在所述压缩上止点后的时间的所述燃油喷射之前，在所述压缩上止点前的正时进行另一燃油喷射。
12.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，所述超延迟燃烧中的空燃比是理论配比空燃比或比理论配比空燃比稍稀。
13.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，根据气缸内温度是否比预定温度低，限定所述预定时间间隔。
14.如权利要求1所述的直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法，其中，根据排气温度是否比预定温度低，限定所述预定时间间隔。
15.一种直接喷射火花点火内燃发动机的控制装置，所述直接喷射火花点火内燃发动机包含燃油喷射阀，被配置为将燃油直接喷射到发动机气缸内；和火花塞，所述控制装置包含超延迟燃烧执行部分，被配置为在所述发动机的冷起动期间执行超延迟燃烧，该超延迟燃烧包含在压缩上止点后的正时通过火花塞进行的点火，和至少一次燃油喷射，其中在所述压缩上止点后且在所述点火前的正时开始所述燃油喷射；禁止部分，被配置为在紧跟所述发动机的冷起动后的预定时间间隔内禁止所述超延迟燃烧的执行。
16.一种直接喷射火花点火内燃发动机的控制装置，所述直接喷射火花点火内燃发动机包含燃油喷射阀，被配置为将燃油直接喷射到发动机气缸内；和火花塞，并且，所述控制装置包含超延迟燃烧执行装置，用于在所述发动机的冷起动期间执行超延迟燃烧，该超延迟燃烧包含在压缩上止点后的正时通过所述火花塞进行的点火；和至少一次燃油喷射，其中在所述压缩上止点后且在所述点火前的正时开始所述燃油喷射；禁止装置，用于在紧跟所述发动机的冷起动后的预定时间间隔内禁止所述超延迟燃烧的执行。
全文摘要
在用于直接喷射火花点火内燃发动机的控制方法和装置中，该内燃发动机包含被配置为将燃油喷射到发动机气缸中的燃油喷射阀和火花塞，在发动机的冷起动期间执行超延迟燃烧，该超延迟燃烧包含在压缩上止点后的正时通过火花塞进行的点火；和在压缩上止点后、点火前的正时开始燃油的喷射的至少一个燃油喷射，并且在紧跟发动机的冷起动后的预定时间间隔内禁止超延迟燃烧的执行。
文档编号F02D41/04GK1940271SQ200510107578
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年9月30日
发明者富田全幸, 米谷孝雄, 中岛彰, 武田智之, 高桥秀明 申请人:日产自动车株式会社