内燃机的制作方法

专利名称：内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，其中燃烧室内形成的空气和汽油燃料的混合 物可以通过压缩而自动点火。
背景技术：
已知燃烧(点燃)汽油作为燃料的内燃机产生的NOx的量取决于燃烧 室内的温度是高温的燃烧时间段，并且随燃烧时间段缩短而变小。在预混 合充料压缩自动点火(自动点火)燃烧中，燃烧室内形成的空气/燃料混合 物(混合气)在髙压缩比被压缩以由此被点燃，压缩的空气/燃料混合物在 多个^t位置实质地同时被点火。因此，自动点火燃烧在比燃料通过火焰 传播燃烧的火花点火燃烧短的时间内完成.因此，与进行火花点火燃烧的 内燃;M目比，进行自动点火燃烧的内燃机可以减少NOx排放。此外，自动 点火燃烧使得能够在高压缩比和极稀的空燃比进行燃烧，从而改进了燃料 效率.由于自动点火燃烧在极短的时间内完成，在需要大量燃料的高负栽区 域中，自动点火燃烧使得燃烧室内压力(气缸压力)急剧增加，并且因此， 可能产生很大的噪声。为了解决噪声问题，开发了4循环内燃机，该内燃 机在自动点火燃烧引起的噪声低的轻负栽区域中执行自动点火燃烧工作； 并且在由自动点火燃烧产生很大燃烧噪声的高负栽区域中执行空气/燃料 混合物由火花塞产生的火花点燃的火花点火燃烧工作(例如，参见日本专 利申请未审定公报No. 2000-64863,权利要求1以及图4).同时，设计为执行自动点火燃烧的内燃机的压缩比比设计为执行火花 点火燃烧的内燃机的压缩比高得多。因此，如果能够执行自动点火燃烧的内燃机在负栽很高时执行火花点火燃烧，则发生敲缸。关于这一点，为了 降低实际压缩比，传统的内燃机将进气阀的关闭正时延迟至直到在火花点 火工作中接近压缩冲程的上死点为止，从而可以避免敲釭。然而，由于高负载区域中的工作需要大量燃料的燃烧，延迟进气阀的 关闭正时的程度受到限制。这是因为过度延迟进气阀的关闭正时会导致空 气/燃料混合物的量(即，燃料的量)减少。因此，传统的内燃机不能充分 地避免敲釭并且不能增大发动机产生的转矩。发明内容本发明的目的是提供一种内燃机，在通过执行自动点火燃烧工作减少NOx的量并且改进燃料效率的同时，该内燃机能够在没有敲缸和过度噪声 的情况下产生^艮高的转矩。实现上述目的的本发明的内燃机包括燃料喷射装置，所述燃料喷射装置用于将汽油燃料喷射到燃烧室内， 所述燃烧室由所述内燃机的活塞的顶面、气釭的孔壁表面以及气缸盖的下 表面限定出；以及预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃机在轻负栽 区域工作时，所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置将吸入所述燃烧室内的空气与从所述燃料喷射装置喷射到所述燃烧室内的燃料预混 合，并且形成和压缩具有均一的燃料空间分布的均质空^燃料混合物以由 此开始所述燃料的自动点火燃烧.所述内燃^E包括扩散燃烧工作执行装置，当所述内燃机在负栽大于 所述轻负栽区域的高负栽区域工作时，所述扩散燃烧工作执行装置在所述 燃烧室内压缩-AX所述燃烧室内的空气并M所述燃料喷射装置喷射燃料 到所述压缩的空气中以由此代替所述燃料的自动点火燃烧而开始所述燃料 的扩散燃烧。当这样构成的内燃机在轻负栽区域工作时，形成并且压缩具有均一的 燃料空间分布的均质空气/燃料混合物，从而通过燃料自动点火的均质充料
压缩自动点火燃烧执行工作。因此，内燃机能够减少NOx的排放。同时， 当内燃机在负载大于轻负载区域的高负载区域工作时，燃料喷射到压缩空 气中，从而通过扩散燃烧执行工作。由于通过扩散燃烧的工作比通过火花 点火燃烧的工作展现了较低的敲釭发生可能性，通过扩散燃烧的工作不需 要通过大量延迟进气阀的关闭正时降低实际的(实质的)压缩比。因此， 当内燃机在高负载区域工作时，在高压缩比下可以实现稳定的燃烧，从而 可以产生很高的转矩。此外，由于汽油比柴油更容易气化，扩散燃烧的速 度很高。因此，内燃机在高发动机转速区域可以产生较大的输出。所述内燃机可以构成为执行4循环工作，其中每隔720度的曲柄转角， 重复进气沖程、压缩冲程、燃烧冲程以及排气冲程，并且所述内燃机可以 包括涡流产生装置，所述涡流产生装置用于通过将所述空气吸入到所述燃 烧室而在所述燃烧室内产生进气涡流；火花产生装置，所述火花产生装置用于在所述燃烧室内产生点火用火 花；以及火花点火燃烧工作执行装置，当所述内燃机在负载大于所述轻负栽区 域并且小于所述高负栽区域的中负载(中等负栽)区域工作时，所述火花 点火燃烧工作执行装置将吸入所述燃烧室内的空气与从所述燃料喷射装置 喷射到所述燃烧室内的燃料预混合，形成并且压缩具有均一的燃料空间分 布的均质空^/燃料混合物，并且通过由所述火花产生装置产生的点火用火 花点燃所述压缩的均质空气/燃料混合物以由此开始所述燃料的火花点火 燃烧。这样构成的内燃机在轻负载区域执行通过自动点火燃烧的工作，在中 负载区域执行通过火花点火燃烧的工作，在高负栽区域执行通过扩散燃烧 的工作.因此，即使内燃机是当在中负栽区域通过自动点火燃烧工作时产 生过大噪声并且在中负栽区域不能稳定地执行扩散燃烧的内燃机，上述构 造使得内燃机在中负载区域能够在没有产生过大噪声的情况下稳定地执行 火花点火燃烧。
此外，上述结构中，所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置可以构成为(1 )在基于所述内燃机的负载而变化的轻负载用进气阀打开正时打开 进气阀，并且在基于所述内燃机的负载而变化的轻负载用进气阀关闭正时 关闭所述进气阀，并且(2 )在吸入所述燃烧室内的空气涡流最强的进气冲程的早期阶段和/述均质空^燃料混合物，所述喷射正时在所述轻负栽用进气阀打开正时和 所述轻负载用进气阀关闭正时之间.根据该结构，很强的进气涡流使整个燃烧室内的空气与喷射的燃料混 合，由此可靠地形成具有均一 (均匀)燃料空间分布的均质空^/燃料混合 物。结果，可以降低NOx排放量并且可以改进热效率(燃料经济性)。所述火花点火燃烧工作执行装置可以构成为(1) 在基于所述内燃机的负栽而变化的中负栽用进气阀打开正时(例 如，早于所述轻负栽用进气阀打开正时的正时)打开所述进气阀，并且在 基于所述内燃机的负栽而变化并且晚于(之后，或延迟的正时)所述轻负 载用进气阀关闭正时的中负载用进气阀关闭正时关闭所述进气阀，并且(2) 在吸入所述燃烧室内的空气涡流最强的进气冲程的早期阶段和/述均质空^/燃料混合物，所述喷射正时在所迷中负栽用进气阀打开正时和 所述中负栽用进气阀关闭正时之间。根据该结构，进气阀关闭正时被设定为晚于轻负栽用进气阀关闭正时 以由此降低(或减少)实际的(实质的)压缩比，并且进气涡流的搅动作 用被利用于形成具有均 一 的燃料空间分布的均质空^/燃料混合物.因此， 可以避免敲釭的发生，并且可以执##定的火花点火燃烧工作。此外，所述扩散燃烧工作执行装置可以构成为 (1 )在基于所述内燃机的负载而变化的高负载用进气阀打开正时打开 所述进气岡，在基于所述内燃机的负载而变化并且早于(提前于)所述中
负载用进气阀关闭正时的高负载用进气阀关闭正时关闭所述进气岡，并且(2 )在晚于所述高负载用进气阀关闭正时且接近压缩上死点的喷射正 时从所述燃料喷射装置喷射所述燃料。才艮据该结构，由于进气阀关闭正时,皮设定为早于在火花点火燃烧工作 时的中负载用进气阀关闭正时，实际压缩比不会大量下降(或降低，减少)。 而且，燃料经受扩散燃烧。结果，在高压缩比时可以执行稳定燃烧，从而 可以提高(或增加)由内燃机产生的转矩。在这种情况下，优选地，所述活塞具有在所述活塞顶面的中央部分形成的空腔；以及所述燃料喷射装置构成为向所述空腔喷射所述燃料。此外，优选地，所述内燃机还包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃机在负栽小于所述轻负栽区域的极轻负栽区域工作时，所极轻负载用进气阀打开正时打开所述进气阀；在基于所述内燃机的负栽而 变化的极轻负载用进气阀关闭正时关闭所述进气阀；在压缩冲程的中期阶料实质地滞留在所述空腔内，并JUt缩所述空腔内形成的均质空^/燃料混 合物以由此开始所述燃料的自动点火燃烧，所述喷射正时在所述极轻负栽 用进气阀关闭正时之后并且在压缩上死点之前.根据上述结构，即使在燃料量很少的极轻负栽工作时，在空腔内可以 可靠地形成用于自动点火的具有充分高浓度的空^燃料混合物，从而可以 执行稳定的自动点火燃烧。结果，可以执行自动点火工作的工作区域扩大 为覆盖更轻负载的区域，从而可以更加减少NOx排放量，并且可以进一步 改进燃料经济性。此外，优选地，所述内燃to包括用于检测气缸压力的气缸压力检测装置，所述气釭压力是所述燃烧室 内的压力；以及工作切换装置，在由所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执4亍装置
执行所述自动点火燃烧工作的期间，所述工作切换装置通过将在从与单次 燃烧相关的压缩冲程开始到燃烧冲程结束的时间段内由所述气釭压力检测 装置检测到的气缸压力求平均值而获得气缸压力平均值，并且通过将与多 次过去的燃烧相关的气缸压力平均值求平均值而获得平均气缸压力平均 值，并且当与当前燃烧相关的气缸压力平均值与所述平均气缸压力平均值 之差的绝对值大于(超过)预定值时，所述工作切换装置切换工作从而由 所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置执行所述自动点火燃烧工作。
根据该结构，通过判定由"当前燃,关的气缸压力平均值Pi"与"对
均值Piave"差值的绝对值(|Pi-Piave|)得到的值AP是否超过(或变得大 于)预定值而作出由预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置执行的自 动点火燃烧是否稳定的判定。当基于由所述差值的绝对值得到的值AP超
置执行的自动点火燃烧变得不稳定时，工作从由预混合充料压缩自动点火 燃烧工作执行装置执行的自动点火燃烧工作切换至由分层充料自动点火燃 烧工作执行装置执行的自动点火燃烧工作.因此，可以避免由内燃机工作 的不稳定性引起的发生转矩变动等的状态。
优选地，由所述差值的绝对值得到的值AP是所述差值的绝对值 (|Pi-Piave|)除以气缸压力平均值Piave的商。
此外，优选地，所述内燃机包括
用于检测气缸压力的气缸压力检测装置，所述气缸压力是所述燃烧室 内的压力；以及
工作切换装置，在由所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置 执行所述自动点火燃烧工作的期间，所述工作切换装置基于由所述气缸压
的变化量，即气缸压力变化率，并且当所述获得的气缸压力变化率超过预 定变化率时，所述工作切换装置切换工作从而由所述火花点火燃烧工作执 行装置执行所述火花点火燃烧工作。
根据该结构，通过判定气缸压力变化率是否超过预定变化率作出与均 质空气/燃料混合物的预混合充料压缩自动点火燃烧相关的噪声是否过大 的判定。当基于气缸压力变化率超过预定变化率的判定而决定出与均质空 气/燃料混合物的预混合充料压缩自动点火燃烧相关的噪声过大时，工作从 由预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置执行的自动点火燃烧工作切 换至由火花点火燃烧工作执行装置执行的火花点火燃烧工作。因此，可以 避免产生过大的噪声。
此外，优选地，所述内燃M包括 用于检测敲缸的敲釭检测装置；以及
工作切换装置，在由所述火花点火燃烧工作执行装置执行所述火花点 火燃烧工作的期间，所述工作切换装置基于由所迷敲釭检测装置检测到的 敲釭获得敲釭发生频率，并且当所述获得的敲釭发生频率超过预定频率时，
散燃烧工作，
根据该结构，在敲缸的频率变得过大之前，工作从由火花点火燃烧工
的扩散燃烧工作。这样可以避免发生敲缸的频率过大，敲缸检测装置可以 基于由气缸压力传感器检测到的气缸压力中的变化检测敲缸的发生，或者 可以通过使用检测内燃机振动的^i^p敲缸传感器检测敲缸的发生.
此外，优选地，在具有活塞顶面上形成有空腔的上述活塞的内燃机中， 所述空腔具有底部闭合并且大致为圆筒形的形状，并且形成为使得作为所 述空腔的入口的边缘部分的直径小于所述空腔的内部的最大直径并使得在向槽。
根据该结构，由吸入燃烧室内的空气产生并且沿气缸的孔壁表面流动 的涡流可以借助于涡流导向槽有效地导入空腔内.这减少了进气涡流的涡 流半径，由此加强了涡流流动。
结杲，在由分层充料自动点火燃烧工作执行装置执行工作的过程中，
(均质)空气/燃料混合物可以容易地实质地只在空腔内形成，从而可以抑
制NOx的产生。而且，在由预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置执 行均质空气/燃料混合物的自动点火燃烧的过程中以及在由火花点火燃烧 工作执行装置执行均质空气/燃料混合物的火花点火燃烧的过程中，在空腔 外部形成的空气/燃料混合物可以有效地吸入空腔，从而通过使用整个燃烧 室内的空气可以在空腔内形成均质空^/燃料混合物。因此，可以抑制NOx 的产生，并且可以改进热效率(燃^h经济性)。此外，在由扩散燃烧工作 执行装置执行扩散燃烧的过程中，空腔内产生的很强的涡流可以促进燃料 滴和空气(氧气)的混合，从而可以提高在扩散燃烧过程中的空气使用率。 结果，可以改进内燃机的热效率。此外，由于在每个燃料滴周围可以存在 大量的氧，可以抑制烟的产生。
优选地，所述火花产生装置是火花塞，所述火花塞配置成使得其用于 产生所述点火用火花的火花产生部分位于所迷空腔的内周部分；并且
所述内燃机还包括起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置， 当所述内燃机在起动和/或处于冷态M时，所^动/冷态时分层充料火花 点火燃烧工作执行装置在预定的起动/冷态时用进气阀打开正时打开所述 进气阀，在预定的起动/冷态时用进气阀关闭正时关闭所述进气阀，在压缩
了在所述空腔内形成分层空气/燃料混合物而将所迷喷射的燃料实质地滞 留在所述空腔内，并且通过由所述火花产生装置产生的点火用火花点燃所 述分层空勺燃料混合物以由此开始所述燃料的火花点火燃烧，所述喷射正 时晚于所^动/冷态时用进气阀关闭正时并且在压缩上死点之前。
当内燃机在起动或处于冷态M时，空气/燃料混合物的温度不太可能 上升。因此，自动点火燃烧倾向于变得不稳定。为了解决这个问题，如在 上述结构中，在晚于起动/冷态时用进气阀关闭正时并且在压缩上死点之前 的压缩沖程的后期阶段中燃料从燃料喷射装置喷射出，由此将喷射的燃料 实质地滞留在空腔内并且通过空腔内产生的涡流沿空腔的内周部分形成分 层空气/燃料混合物。然后，通过火花产生部分位于空腔的内周部分的火花
塞点燃分层空^/燃料混合物。这改进了内燃机的起动性能并且使得能够在 冷态条件时稳定燃烧。同时，所述内燃机可以按如下构成所述空腔具有底部闭合并且大致为圆筒形的形状，并且形成为使得作 为所述空腔的入口的边缘部分的直径小于所述空腔的内部的最大直径并使流导向槽；以及所述火花塞沿所述涡流导向槽配置。根据该结构，由于火花塞可以配置在涡流导向槽中，火花塞的火花产生部分可以很容易地配置在空腔的内周部分。此外，优选地，在所述空腔的壁表面上形成有绝热层。根据该结构，由于保持在空腔内的燃烧气体不太可能被冷却，待进行自动点火燃烧的空^/燃料混合物的温度可以保持很髙，从而可以稳定地执行自动点火燃烧。此外，由于可以促进向空腔喷射的燃料的气化，可以减少在扩散燃烧过程中产生的烟的量。此外，优选地，本发明的内燃机包括增压器并且按如下构成 所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧工作执行装置以及所述扩散燃烧工作执行装置每个都构成为(1)在所述进气阀打开之前关闭排气阀，由此产生作为从所述排气阀的关闭正时至所述进气阀的打开正时的时间段的负重叠时间段；并且 (2 )以随着所述内燃机的负栽增加而缩短所述负重叠时间段的方式控制所述排气阀的关闭正时以及所述进气阀的打开正时。类似地，优选地，本发明的内燃机还包括增压器并且按如下构成 所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置、所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧工作执行装置以及所述扩散燃烧工作执行装置每个都构成为(1)在所述进气阀打开之前关闭排气阀，由此产生作为从所述^^气岡的关闭正时至所述进气阀的打开正时的时间段的负重叠时间段；并且(2 )以随着所述内燃机的负载增加而缩短所述负重叠时间段的方式控 制所述排气阀的关闭正时以及所述进气阀的打开正时。这些结构提供了燃烧气体被限制在燃烧室内的所谓的"负重叠时间段 (负气阀重叠时间段)"。此外，负重叠时间段以这样的方式变化，即内 燃机的负载越大，负重叠时间段越短。因此，当内燃机在轻负载区域或以 更低的负载工作时，可以借助于负重叠时间段控制导入燃烧室的空气的量。 当内燃机在负载大于轻负载区域的区域工作时，可以借助于增压器的增压 作用和负重叠时间段控制导入燃烧室的空气的量。结果，由于配置在内燃 机的进气通路内的节气阀可以基本上保持全开，减少了与由节气阀的节气 相关的能量损失，从而可以改进内燃机的燃料经济性。优选地，在所述内燃机中，所述燃料喷射装置构成为在第一喷射状态或在第二喷射状态喷射所述 燃料，在所述第一喷射状态所述燃料以窄喷射角度喷射出，在所述第二喷射出；所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置构成为在所述第一喷射状态 从所述燃料喷射装置喷射所述燃料；以及所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧 工作执行装置以及所述扩散燃烧工作执行装置每个都构成为在所述第二喷 射状态从所迷燃料喷射装置喷射所述燃料.如前文所述，当空^/燃料混合物经受通过分层充料自动点火燃烧工作 执行装置执行的自动点火燃烧时，燃料在压缩冲程的中期阶段喷射出。因 此，当喷射燃料时，在燃料喷射装置和形成空腔的活塞顶面之间存在相对 大的距离.因此，当在上述结构的情况下空^/燃料混合物经受通过分层充 料自动点火燃烧工作执行装置执行的自动点火燃烧时，如果燃料以具有窄 垂直角度的圆锥形状(锥形)喷射出时，喷射出的燃料可能可靠地导入形 成在活塞顶面上的空腔内。结果，可以减少喷射到空腔外部并且没有贡献 给自动点火燃烧的燃料的量。因此，可以抑制未燃HC的产生，并且可以
改进燃料经济性。此外，根据上述结构，在预混合充料压缩自动点火燃烧工作和火花点 火燃烧工作中，在进气冲程的早期阶段和/中期阶段内空气涡流变得最强时 的正时，燃料以具有窄垂直角度的圆锥形状(锥形)以及具有宽垂直角度 的圆锥形状(锥形)喷射出。因此，喷射的燃料到达燃烧室的整个区域并 且被燃烧室内强烈的涡流流动搅动。因此，燃烧室内存在的所有空气被利用于形成均质空^/燃料混合物，从而可以更加减少NOx排放，并且可以 改进热效率(燃料经济性)。在这种情况下，优选地，所述燃料喷射装置是具有一組窄角度喷射孔 和一组宽角度喷射孔的燃料喷射阀，所述窄角度喷射孔在所述燃料喷射阀 的针阀处于低提升状态和高提升状态之中的任一状态时被打开以进行燃料 喷射，所述宽角度喷射孔M所述针阀处于高提升状态时被打开以进行燃料喷射；所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置构成为通过使所述针阀处于 所述低提升状态而在所述笫一喷射状态喷射所述燃料；以及所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧阀处于所迷高提升状态而在所述第二喷射状态喷射所迷燃料.这使得燃料能够通过简单的结构在对应于工作状态的上述喷射状态喷 射出。而且，由于可以很容易地增加燃料喷射阀的燃料喷射量的动态范围 (最小燃料喷射量与最大燃料喷射量之差)，即使在高负栽时燃料也能够 以充分的量喷射出。优选地，在具有这样的燃料喷射阀的内燃机中，所述燃料喷射阀形成 为使得所述宽角度喷射孔的数量大于所述窄角度喷射孔的数量，并且使得 所迷宽角度喷射孔的直径小于所迷窄角度啧射孔的直径。此外，优选地，所述内燃机还包括燃料喷射压力调节装置，所述燃料阀喷射的所述燃料的压力。这提供了以下优点(1) 在极轻负栽时(在通过分层充料自动点火燃烧工作执行装置的工 作过程中)，燃料从每个都具有相对大直径的窄角度喷射孔喷射出，并且 待喷射的燃料的压力相对低。因此，燃料滴具有大的粒径。从而，燃料可 以4艮容易到达空腔的内部。
(2) 在从轻负载到中负载的负载时(在通过预混合充料压缩自动点火 燃烧工作执行装置或火花点火燃烧工作执行装置的工作过程中)，燃料不 仅从窄角度喷射孔而且从宽角度喷射孔喷射出。结果，燃烧室内的空气和 燃料通过作为从宽角度喷射孔喷射的结果每个都具有很小的粒径并且以宽 角度喷射出的燃料滴以及作为从窄角度喷射孔喷射的结果每个都具有很大 的粒径并且以窄角度喷射出的燃料滴充分地混合。这使得燃烧室内存在的 所有空气都被利用于形成均质空气/燃料混合物，从而可以更加减少NOx 排放，并且可以改进热效率(燃料经济性)。
(3) 在高负栽时(在扩散燃烧工作过程中)，燃料不仅从窄角度喷射 孔而且从从宽角度喷射孔喷射出。而且，待喷射的燃料的压力相对高，因 此，从宽角度喷射孔喷射的燃料的粒径变得很小.因此，从宽角度喷射孔 喷射的燃料滴与空气(氧气)充分地混合.结果，可以改进内燃机的热效 率。此外，由于每个燃料滴周围都可以存在大量的氧，可以有效地抑制烟 的产生。
同时，所述内燃机可以构成为执行2循环工作，其中每隔360度的曲 柄转角，当所述燃烧室与构成为在所述燃烧室内产生进气涡流的进气口之 间的连通被切断时，通过建立所述燃烧室与排气口之间的连通开始名夂气冲 程；然后，通过建立所述燃烧室与所述进气口之间的连通开始扫气冲程； 然后，通过切断所述燃烧室与所述排气口之间的连通开始进气沖程；然后， 通过切断所述燃烧室与所述进气口之间的连通开始压缩冲程；并且随后， 开始燃烧沖程。
在这样的2循环内燃机中，高温燃烧气体可以立即被利用于增加将经 受下次燃烧的空气/燃料混合物的温度，从而可以稳定地进行自动点火燃 烧。因此，可以执行自动点火工作的工作区域扩大为覆盖较轻负载的区域。因此，可以更加减少NOx排放，并且可以进一步改进燃料经济性。在这种情况下，优选地，所述内燃机还包括分层充料自动点火燃烧工 作执行装置，当所述内燃机在负载小于所述轻负载区域的极轻负载区域工 作时，所迷分层充料自动点火燃烧工作执行装置在所迷压缩冲程的中期阶 段从所述燃料喷射装置喷射所述燃料以由此将所述喷射的燃料实质地滞留 在所述空腔内，并且压缩在所述空腔内形成的均质空^/燃料混合物以由此 开始所述燃料的自动点火燃烧。根据该结构，即使在燃料量很少的极轻负栽工作中，在空腔内可以很 容易地形成对于自动点火具有充分高浓度的空勺燃料混合物，从而可以进 行稳定的自动点火燃烧。因此，可以执行自动点火工作的工作区域可以扩 大为覆盖较轻负载的区域，从而可以更加减少NOx排放，并且可以进一步 改进燃料经济性.在这种情况下，优选地，所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行 装置构成为在从所述燃烧室与所述进气口之间的连通的建立至所迷连通的 切断的时间段期间在吸入所述燃烧室的空气的涡流最强的喷射正时从所述 燃料喷射装置喷射所述燃料以形成所述均质空^/燃料混合物.根据该结构，强进气涡流使整个燃烧室内的空气与喷射的燃料混合， 并且因此，形成了具有均一的燃料空间分布的均质空勺燃料混合物。结果， 可以减少NOx的排放，并且可以改进热效率(燃料经济性) 此外，优选地，所述扩散燃烧工作执行装置构成为在所述压缩冲程期述燃料的扩散燃烧，并且在假定在所述扩散燃烧工作被实际执行的所述高 负载区中执行火花点火燃烧的情况下为避免敲釭的过度发生而设定的切断 所述燃烧室与所述进气口之间连通的正时之前的正时切断所述燃烧室与所 述进气口之间的连通。根据该结构，由于切断燃烧室与进气口之间的连通的正时早于在执行 火花点火燃烧的情况下为了避免敲缸的过度发生而设定的用于切断燃烧室
与进气口之间的连通的正时，因此，实际压缩比不会大量地下降。而且， 燃料通过扩散燃烧而燃烧。结果，在高压缩比可以进行稳定的燃烧，从而 可以提高由内燃机产生的转矩。根据本发明的内燃机的另 一方面构成为执行2循环工作，其中每隔360 度的曲柄转角，当所述燃烧室与构成为在所述燃烧室内产生进气涡流的进 气口之间的连通被切断时，通过建立所述燃烧室与排气口之间的连通开始排气冲程；然后，通过建立所述燃烧室与所述进气口之间的连通开始扫气冲程；然后，通过切断所述燃烧室与所述排气口之间的连通并且切断所述 燃烧室与所述进气口之间的连通开始压缩冲程；并且随后，开始燃烧冲程。所述内燃机还包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃 机在负载小于所述轻负载区域的极轻负载区域工作时，所述分层充料自动在所述空腔内，并且压缩在所述空腔内形成的均质空^/燃料混合物以由此 开始所述燃料的自动点火燃烧；以及用于压缩通过所述进气口流入所述燃烧室的空气的增压器。 在所述内燃机中，所述活塞具有在所述活塞顶面的中央部分形成的空腔；所述燃料喷射装置是配置在所述气缸盖的下表面和所迷气缸的孔的实 质中央部分用于向所迷空腔喷射所述燃料的燃料喷射阀；所述排气口构成为使得所述排气口的 一端在所述气缸盖的下表面并且 在所述燃料喷射阀的周围形成开口部分，4吏得通过配置在所述开口部分处 的排气阀打开所述开口部分而建立所述排气口与所述燃烧室之间的连通， 并且使得通过所述排气阀关闭所述开口部分而切断所述排气口与所述燃烧 室之间的连通；所述进气口构成为使得所述进气口的 一端在所述气釭的孔壁表面形成 开口部分，使得在所述活塞从上死点向下死点的移动过程中通过所述活塞 的侧壁打开所述开口部分而建立所述进气口与所述燃烧室之间的连通，并
且使得在所述活塞从所述下死点向所述上死点的移动过程中通过所述活塞 的侧壁关闭所述开口部分而切断所述进气口与所述燃烧室之间的连通。即，所述内燃机是所谓的"单流式(直流扫气式，uniflow-type)2循环内燃机"。 在这样的单流式2循环内燃机中，优选地，所述预混合充料压缩自动喷射正时喷射所述燃料以由此形成所述均质空气/燃料混合物；以及所述扩散燃烧工作执行装置构成为在所述压缩冲程期间的高负载用喷烧，所述高负栽用喷射正时晚于所述极轻负栽用喷射正时并且接近所述上 死点。在这样的单流式2循环内燃机中，高温燃烧气体可以立即被利用于增 加将经受下次燃烧的空^燃料混合物的温度，从而可以稳定地执行自动点 火燃烧。因此，可以执行自动点火工作的工作区域可以扩大为覆盖较轻负 载的区域。结果，可以更加减少来自内燃机的NOx排放，并且可以进一步 改进燃料经济性。这里，在具有设置在气釭盖上的进气阀和排气阀的普通内燃机中，随 负载增大，进气阀的关闭正时M迟；结果，实际冲程容积(实际压缩冲 程容积)下降。相反地，单流式2循环内燃机不会产生这样的实际冲程容积下降并且因此可以维持;f艮髙的实际压缩比.结果，单流式2循环内燃机可以产生很大的最大转矩。此外，在高负栽区域中，通过增压器的增压以及扩散燃烧的执行，可 以维持不伴随敲缸的稳定燃烧。结果，内燃机可以产生很大的最大转矩。


图l是根据本发明第一实施例的内燃机的示意性结构视图；图2是由包括气缸轴线的平面截取的图1所示的燃烧室及其相关部分的截面图；图3是图l所示的活塞的顶面的正视图4是图1所示的燃料喷射阀的末端部的纵向截面图；图5是图1所示的燃料喷射阀的末端部的正视图；图6是示出通过由图1所示的电子控制单元的CPU执行预定程序而实 现的功能的框图；图7是图6所示的工作切换装置所参考的工作区域脉镨图；图8是示出图1所示的内燃机的气阀正时、燃料喷射时期(燃料喷射 正时)以及点火正时的一系列图表；图9是示出如何通过图6所示的分层充料自动点火燃烧工作执行装置 喷射燃料的视图；图IO是示出如何通过图6所示的预混合充料自动点火燃烧工作执行装 置或火花点火燃烧工作执行装置喷射燃料的视图；图； "、 ^ 、，图12是示出通过由根据本发明笫三实施例的内燃机的电子控制单元的CPU执W5I定程序而实现的功能的框图；图13是图12所示的工作切换装置所参考的工作区域脉谗图；图14是示出根据第三实施例的内燃机的气阀正时和燃料喷射正时的一系列图表；图15是用于说明根据本发明笫四实施例的内燃机的工作概要的一系 列牙见图；图16是，本发明第四实施例的内燃机的示意性结构视图； 图17是由垂直于气釭轴线的平面截取的图16所示内燃机的气釭、进 气气室以及进气口的截面图；图18是从燃烧室观察的图16所示的气缸盖的底侧的视图； 图19是图16所示的驱动臂的正视图；图20是示出通过由图16所示的电子控制单元的CPU执，定程序而 实现的功能的框图；图21是示出图16所示的内燃机的排气阀的打开/关闭正时、进气口的
打开/关闭正时以及燃料喷射正时的一 系列图表。
具体实施方式
下面将参照

根据本发明的内燃机的实施例。图l示出了根据本发明第 一实施例的内燃机10的示意性结构。图1只是示出了特定气釭的截面，但其它气缸也具有类似的结构。内燃机10是活塞往复式4循环内燃机，构成为执行4循环工作，其中 每隔720度的曲柄转角，重复进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程以及排气冲 程。内燃机10使用汽油作为燃料。内燃机10包括包括气缸体、气缸体下箱体以及油底壳的气缸体部分 20;固定在气釭体部分20上的气缸盖部分30;用于供给空气到气缸体部 分20的进气系统40;以及用于将排气(燃烧气体)从气缸体部分20排出 到发动机外部的排气系统50。气缸体部分20包括空心圆筒形的气缸21、活塞22、连杆23以及曲轴 24。活塞22在气釭21内往复运动.活塞22的往复运动经由连杆23传递 到曲轴24，由此转动曲轴24。气缸21的孔壁表面、活塞22的顶面(活塞 头部)以及气缸盖部分30的下表面形成燃烧室2S。气缸盖部分30包括连接到燃烧室25的进气口 31;用于打开/关闭各 自的进气口 31的进气阀32;作为用于驱动各自的进气阀32的进气阀驱动 装置的进气阀驱动机构32a;连接到燃烧室25的排气口 33;用于打开和关 闭各自的排气口 33的排气阀34;作为用于驱动排气阀34的排气阀驱动装 置的排气阀驱动机构34a;火花塞35;包括点火线團和适于产生施加到火 花塞35上的高电压的点火器36;用于直接喷射燃料到燃烧室25内的燃料 喷射阀(燃料喷射装置)37;包括燃料压力蓄积腔的燃料压力调节装置38a; 以及燃料泵38b。进气阀驱动机构32a和排气阀驱动机构34a连接到驱动 电路39上。每个进气口 31是公知的涡流口 (或螺旋形口 )并且构成为使得经由进 气口 31和对应的进气阀32的外围流入燃烧室25的空气在燃烧室25内沿
气缸21的孔壁表面形成进气涡流(横向涡流)。即，进气口31构成涡流 产生装置。火花塞35和点火器36构成用于在燃烧室25内产生点火用火花的火花 产生装置。燃料压力调节装置38a为燃料喷射阀37供给高压燃料，其压力随内燃 机10的负载增大而增大。燃料泵38b在压力下从未示出的燃料箱传递燃料 至燃料压力调节装置38a。进气系统40包括包括进气歧管的进气管41，该进气歧管与进气口 31连通并且与进气口 31 —起形成进气通路；与进气管41连通的气室42; 其一端与气室42相连的进气道43;以及从进气道43的另一端向下游侧(进 气管41)依次配置在进气道43内的空气滤清器44、涡轮增压器81的压缩 机81a、旁通流量调节阀(ABV) 45、中间冷却器46以及节气阀47,进气系统40还包括旁通通路48.旁通通路48的一端连接到旁通流量 调节阀45上，并且旁通通路48的另一端在中间冷却器46和节气阀47之 间的位置连接到进气道43上。旁通流量调节阀45响应于驱动信号改变未 示出的阀的开度，由此调节流入中间冷却器46的空气流量，以及绕过中间 冷却器46的空气流量(流入旁通通路48的空气流量).中间冷却器46是水冷式的并且适于冷却流过进气道43的空气.中间 冷却器46连接到散热器46a,该散热器46a将热量从中间冷却器46中的 冷却水传递至大气，中间冷却器46连接至使冷却水在中间冷却器46和散 热器46a之间循环的循环泵46b.节气阀47可转动地支承在进气道43内并且由节气阀致动器47a驱动， 由此改变进气通路的开口截面积。排气系统50包括包括排气歧管的排气管51，该排气歧管与排气口 33连通，并且与排气。33—起形成排气通路；配置在排气管51内的涡轮 增压器(增压器或增压装置)81的涡轮81b;其相对的两端分别在涡轮81b 的上游和下游连接到排气管51从而旁通涡轮81b的废气门通路52;配置 在废气门通路52内的涡轮增压压力调节阀52a;以及在涡轮81b下游配置
在排气管51内的三元催化转化器。涡轮增压器81的涡轮81b通过排气的能量而转动，由此转动用于压缩 空气的进气系统40的压缩机81a。结果，涡轮增压器81压缩进气通路内 的空气并且由此对燃烧室25增压。接下来，将参照图2和图3详细说明燃烧室25以;M目关部分的结构。 图2是由包括气缸21的轴线的平面所截取的燃烧室25以及相关部分的截 面图。图3是活塞22的顶面的正视图。如图2所示，气缸盖部分30的下表面30a与构成所谓的单坡房顶型(屋 脊式，pent roof type)燃烧室的气缸盖的下表面形状类似。如图3所示， 单个气缸(燃烧室25)具有两个进气阀32和两个排气阀34。即，内燃机 10是所谓的"4气阀发动机"。如图2所示，活塞22的顶面22a的周边部分沿气釭盖下表面30a倾斜。 在活塞22的顶面22a的中央形成有空腔(凹处)22b。空腔22b具有底部 闭合并且大致为圆筒形的形状。作为空腔22b的进口的边缘部分的直径小 于空腔22b的内部的最大直径，在空腔22b的壁表面(表面)上形成有钬 或陶器的绝热层22c (由比用于形成活塞22的材料(例如，铝)的导热性 低的材料制成的层).此外，如图2和图3所示，空腔22b的外周部分具有多个(本实施例 中为三个)用于将由流入燃烧室25的空气形成的进气涡流导入空腔22b 的涡流导向槽22d。形成各个涡流导向槽22d的表面是倾斜的.随着涡流 导向槽22d的宽度(活塞22的顶面22a的中心与涡流导向槽22d的外周 之间的距离)减小，倾斜面的角度从沿活塞22的顶面22a的角度向基本垂 直于活塞22的顶面22a的角度逐渐增加。如图3所示，在活塞22的顶面22a的正视图中， 一个涡流导向槽22d 形成为其导向槽开始位置St与一个进气阀32相对，并且其导向槽结束位 置En与另一进气阀32相对。为了便于解释，该涡流导向槽22d被称作"特 定的涡流导向槽"。火花塞35是配置在两个进气口 31之间(因此在两个进气阀32之间) 使得用于产生点火用火花的火花产生部分35a配置在空腔22b的内周部分 上(空腔22b的内部的周边部分)的突出的塞子。火花塞35的末端部附近 (火花产生部分35a附近)配置为当活塞22到达接近上死点的位置时，跟 随上述特定的涡流导向槽(从而与该特定的涡流导向槽的倾斜面平行并且 沿着该倾斜面)。燃料喷射阀37配置在气缸盖部分30内，使得其喷射孔在气缸盖下表 面30a和燃烧室25的中央位置暴露在燃烧室25中，并且使得汽油燃料向 活塞22的空腔22b喷射。图4是燃料喷射阀37的末端部的纵向截面图，图5是末端部的正视图， 如图4和图5所示，燃料喷射阀37是包括喷嘴主体37a、针阀37b以及包 括两个螺线管的未示出的电磁机构(提升控制装置)的喷射器。喷嘴主体37a具有大致圃筒形的形状，其直径随着向其末端而减小。 喷嘴主体37a的末端部为半球状.喷嘴主体37a在其内部具有用于容纳针 阀37b的空间。该空间包括大直径部分37al和小直径部分37a2。大直径 部分37al呈空心圆筒状并且位于喷嘴主体37a的近端侧(基端侧)。小直 径部分37a2呈空心圃筒状并且其直径小于大直径部分37al的直径。小直 径部分37a2从大直径部分37al向喷嘴主体37a的末端部延伸.小直径部 分37a2的顶部为圆锥形状.喷嘴主体37a的半球状末端部具有多个(本实施例中为四个)窄角度 喷射孔37c和多个(本实施例中为八个)宽角度喷射孔37d.宽角度喷射 孔37d的数量大于窄角度喷射孔37c的数量，多个窄角度喷射孔37c共同 地被称作窄角度喷射孔组，并且多个宽角度喷射孔37d共同地被称作宽角 度喷射孔组。窄角度喷射孔37c在喷嘴主体37a的末端附近在喷嘴主体37a内径向 地(放射状地)形成。多个窄角度喷射孔37c彼此等间隔地布置.各窄角 度喷射孔37c的轴线和喷嘴主体37a的轴线形成角度ei.宽角度喷射孔37d在相对于窄角度喷射孔37c更靠近近端的区域上在 喷嘴主体37a内径向地(放射状地)形成。多个宽角度度喷射孔37d彼此
等间隔地布置。各宽角度喷射孔37d的轴线和喷嘴主体37a的轴线形成角 度02。角度e2大于角度ei。宽角度喷射孔37d的直径小于窄角度喷射孔 37c。针阀37b包括圆柱形基部37bl和圆柱形末端部37b2。基部37bl的直 径稍稍小于大直径部分37al。基部37bl容纳在大直径部分37al中。末端 部37b2的直径稍稍小于小直径部分37a2。因此，末端部37b2的直径小于 基部37bl。末端部37b2形成为从基部37bl向针阀37b的末端突出，并且 容纳在小直径部分37a2中。针阀37b的末端部37b2的顶部具有截锥体形状。当针阀37b没有提 升时，截锥体的顶面(上表面)的周边部分(边缘部分)与形成喷嘴主体 37a的小直径部分37a2的圆锥形顶部的内壁表面邻接。因此，当针阀37b 没有提升时，在针阀37b的末端部37b2的顶面和喷嘴主体37a的小直径 部分37a2的圆锥形顶部之间形成密闭空间S。具有小直径的燃料通路37b3沿针阀37b的轴线在针阀37b中形成并 且建立了未示出的位于基部37bl同一侧的燃料供^5分和针阀37b的末 端部37b2的顶面之间的连通。因此，当针阀37b没有提升时，燃料通路 37b3的末端开口只通向密闭空间S。窄角度喷射孔37c位于封闭空间S的 外部.因此，当针阀37b没有提升时，密闭空间S和窄角度喷射孔37c之 间的连通被切断，当未示出的第一螺线管被通电时，针阀37b移动到由图4中的虚线表示 的位置LL。即，针阀37b的提升变为低提升。这使窄角度喷射孔37c与燃 料通路37b3和密闭空间S两者建立了连通。相反地，宽角度喷射孔37d与燃 料通路37b3和密闭空间S两者的连通都被切断。结果，通过燃料通路37b3 供给到密闭空间S的燃料仅从窄角度喷射孔37c喷射。即，当针阀37b的提 升是低提升时，建立(或实现)了燃料以窄喷射角度喷射的第一喷射状态，当未示出的第一和第二螺线管两者都被通电时，针阀37b移动到由图4 中的双点划线表示的位置HL。位置HL位于比位置LL更靠近喷嘴主体37a 的近端的位置。即，针阀37b的提升变为高提升。这建立了窄角度喷射孔37c 与燃料通路37b3和密闭空间S两者的连通，以及宽角度喷射孔37d与燃料通 路37b3和密闭空间S两者的连通。结果，通过燃料通路37b3供给到密闭空 间S的燃料从窄角度喷射孔37c和宽角度喷射孔37d喷射。即，当针阀37b的 提升是高提升时，建立(或实现)了燃料以窄喷射角度和在比窄喷射角度 大的宽喷射角度喷射的第二喷射状态。再次参照图1，内燃机10包括空气流量计61、曲轴位置传感器62、 作为气缸压力检测装置的气釭压力传感器63、冷却水温度传感器64、加速 器开度传感器65以及电子控制单元70。空气流量计61输出表示进气流量的信号。曲轴位置传感器62输出曲 轴24每转动10。的窄脉冲信号和曲轴24每转动360。的宽脉冲信号。该 信号表示发动机转速NE。气缸压力传感器63输出表示燃烧室25内的压 力(气缸压力)P的信号。冷却水温度传感器64输出表示内燃机10的冷 却水温度THW的信号。加速器开度传感器65输出表示由驾驶员操作的加 速踏板66的操作量Accp的信号。电子控制单元70是微型计算机，其包括执行预定程序的CPU71; 预先存储有将由CPU 71执行的程序、表格(查找表格和脉谦图)、常量 等的ROM 72; CPU 71在需要时暂时存储数据于其中的RAM 73;在电源 接通时存储数据并且在电源关闭时保持所存储数据的备用RAM 74;以及 包括AD转换器的接口 75。 CPU71、 ROM72、 RAM73、备用RAM 74、 接口 75等通过总线彼此连接，接口 75连接到传感器61至65;将来自传感器61至65的信号供给到 CPU 71;并且基于来自CPU71的指令发送驱动信号到点火器36、燃料喷 射阀37、燃料压力调节装置38a、燃料泵38b、驱动电路39、节气阀致动 器47a、旁通流量调节阀45以及增压压力调节阀52a。如图6所示，内燃机10包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置Fl、 预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2、火花点火燃烧工作执行装 置F3、扩散燃烧工作执行装置F4、起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工 作执行装置F5以及工作切换装置Gl。这些装置的功能通过由电子控制单
元70的CPU71执行相关预定程序而实现。因此，以下将说明由这些装置 实施(实际上由CPU71实现)的工作。工作切换装置Gl具有存储于ROM 72中的如图7所示的工作区域脉 傳图。工作切换装置G1基于内燃机10的负载、发动机转速NE以及工作 区域脉i瞽图判定工作区域。工作切换装置Gl根据对应于预定工作区域的 工作模式执行工作。内燃机10的负栽可以U于加速踏板66的操作量 Accp和发动机转速NE确定的所需转矩Tqtgt，或者可以仅仅是加速踏板 66的操作量Accp。根据图7所示的工作区域脉镨图，负栽小于预定第一负载的极轻负栽 区域对应于分层充料自动点火燃烧工作区域；负栽大于第一负栽并且小于 第二负栽(该笫二负栽大于第一负栽)的轻负栽区域对应于均质充料自动 点火燃烧工作区域；负栽大于第二负栽并且小于第三负栽(该第三负栽大 于第二负栽)的中负栽区域对应于均质充料火花点火燃烧工作区域；负栽 大于第三负栽的高负栽区域对应于扩散燃烧工作区域， (当内燃机10在极轻负栽区域工作时)当内燃机10在极轻负栽区域工作时，工作切换装置G1根据工作区域 脉镨图选择分层充料自动点火燃烧工作执行装置Fl.因此，内燃机10由 分层充料自动点火燃烧工作执行装置Fl分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1只是在空腔22b内形成均质空 勺燃料混合物(即，总体上在燃烧室25内形成分层空^/燃料混合物)，并 且将空^/燃料混合物压缩至自动点火并且燃烧燃料。更具体地，分层充料 自动点火燃烧工作执行装置F1通过依次执行以下动作(见图8 (A))操作 内燃机IO.(1)在燃烧冲程，分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1在基于内;了燃烧冲程并且开始排气冲程。' ' 。(2 )分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1在基于内燃机10的负栽 而变化的极轻负载用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34。这结束了排气冲程
并且开始负重叠时间段。(3 )分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1在基于内燃机10的负载 而变化的极轻负载用进气阀打开正时IO打开进气阀32。这结束了负重叠时 间段并且开始进气冲程。(4 )分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1在基于内燃机10的负载 而变化的极轻负栽用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32。这结束了进气冲程 并且开始压缩冲程。(5)在压缩冲程的中期阶段内的正时einj，分层充料自动点火燃烧工确定的预定量的燃料，所述正时einj在极轻负栽用进气阀关闭正时IC与压 缩上死点TDC之间。在这种情况下，待喷射的燃料总量是用于获得极稀的 空燃比。此外，分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1只对燃料喷射阀37 的第一螺线管通电，从而燃料喷射阀37的针阀的提升成为低提升.结果，如图9所示，喷射的燃料实质地滞留在空腔22b内，由此基本仅 在空腔22b内形成均质空^/燃料混合物。然后，压缩均质空^/燃料混合物， 由此开始燃料自动点火并且燃烧的燃烧冲程.因此，即使在燃料量很少的极轻负栽工作中，也可以在空腔22b内可靠 地形成对于自动点火具有充分高浓度的空^/燃料混合物，从而可以进* 定的自动点火燃烧。结果，可以执行自动点火工作的工作区域可以扩大为 覆盖较轻负栽的区域，由此在这样的轻负栽区域中消除了执行火花点火燃 烧工作的必要性。因此，NOx排放可以更加减少，并且燃料经济性可以进 一步改善。空腔22b具有底部闭合并且大致为圆筒形的形状，并且形成为使得作为 空腔的进口的边缘部分的直径小于空腔的内部的最大直径。此外，空腔22b 的外周部分形成有涡流导向槽22d.涡流导向槽22d适于将由^LA燃烧室25 内的空气产生并沿气缸的孔壁表面流动的进气涡流导入空腔22b内。因此， 涡流流动可以借助于涡流导向槽22d有效地导入空腔22b内。由于进气涡流的涡流半径变小，可以加强涡流流动。结果，空气/燃料
混合物可以容易地实质仅在空腔22b内形成，从而可以抑制NOx的产生。同时，燃料在以窄喷射角度喷射燃料的第一喷射状态喷射出。在喷射 燃料的压缩冲程的中期阶段，在燃料喷射阀37和形成空腔22b的活塞22的顶 面之间存在相对大的距离。因此，通过如上述构造中以具有窄垂直角度的 圆锥形形状(圆锥的形状)喷射燃料，喷射的燃料可以可靠地导入空腔22b 并且滞留在空腔22b内。此外，窄角度喷射孔37c的直径比宽角度喷射孔37d大，并且窄角度喷 射孔37c的数量比宽角度喷射孔37d少。此外，由于内燃机的负栽很小，由 燃料压力调节装置38a调节的燃料压力相对很低。因此，从窄角度喷射孔37c 喷射的燃料液滴的直径变得相对较大，从而燃料可以可靠地到达空腔22b 的内部。结果，由于存在于空腔22b外部并且不贡献给自动点火燃烧的燃料 的量可以减少，所以可以抑制未燃HC的产生，并且可以改进燃料经济性。 (当内燃机10在轻负栽区域工作时)当内燃机10在轻负栽区域工作时，工作切换装置G1根据工作区域脉镨 图选^混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2。因此，内燃机10由 预混合充料压缩自动点火燃烧工作扭^行装置F2lMt。预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2将吸入燃烧室25内的 空气和从燃料喷射阀37喷射到燃烧室25的燃料预混合，以由此在燃烧室25 内形成并且压缩具有均一的燃料空间分布的均质空^L/燃料混合物，从而开 始燃料的自动点火燃烧.更具体地说，预混合充料压缩自动点火燃烧工作 执行装置F2通过依次执行以下动作(见图8 (B)))操作内燃机IO.(1)在燃烧冲程，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2在这结束了燃烧冲程并且开始排气冲程.(2 )预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2在基于内燃机IO 的负栽而变化的轻负栽用排气阀关闭正时EC关闭排气岡34。这结束了排气 冲程并且开始负重叠时间段.轻负栽用排气阀关闭正时EC设定为晚于极轻 负载用排气阀关闭正时EC。(3 )预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2在接近排气上死 点的正时einj l从燃料喷射阀37喷射少量fs燃料。(4 )预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2在基于内燃机IO 的负载而变化的轻负载用进气阀打开正时IO打开进气阀32。这结束了负重 叠时间段并且开始进气冲程。轻负载用进气阀打开正时IO设定为在极轻负 栽用进气阀打开正时IO之前(提前)。(5)在吸入燃烧室25的空气的涡流最强时的正时，即，在进气冲程的 早期阶段和/或中期阶段内的正时einj2，预混合充料压缩自动点火燃烧工作 执行装置F2从燃料喷射阀37喷射燃料，所述正时9inj2在轻负载用进气阀打 开正时IO和下文中提及的轻负载用进气阀关闭正时IC之间。此时，待喷射 的燃料量是通过从基于内燃机10的负载和发动机转速NE确定的预定量减 去少量fs而获得的差值。注意，在这种情况下，待喷射的燃料的总量是用 于获得极稀的空燃比，此外，在这种情况下，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2 对燃料喷射阀37的第一螺线管和第二螺线管两者都通电，从而燃料喷射阀 37的针阀的提升到达高提升。结果，如图IO所示喷射燃料.(6 )预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2在基于内燃机IO 的负载而变化的轻负栽用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32。这结束了进气 沖程并且开始压缩冲程.均质空^L/燃料混合物被压縮，由此开始燃料自动 点火并且燃烧的燃烧冲程.由于按如上所述i殳定燃料喷射正时，强烈的进气涡流扰动空^/燃料混 合物。而且，由于空腔22b的上述形状和涡流导向槽22d的存在，存在于空 腔22b外部的空气/燃料混合物可以有效地吸入空腔22b,因此，燃烧室25 内存在的所有空气都被利用于形成均质空^/燃料混合物。结果，NOx排放 可以更加减少，并且热效率(燃料经济性)可以进一步改善。同时，在空气的涡流变得最强的进气冲程的早期阶段和/或中期阶段， 在既以窄喷射角度又以大于窄喷射角度的宽喷射角度喷射燃料的第二喷射 状态喷射燃料。因此，喷射的燃料到达燃烧室25的整个区域并且被燃烧室25内的强空气涡流流动搅动。因此，燃烧室25内存在的所有空气都被利用 于形成均质空气/燃料混合物，从而NOx排放可以更加减少，并且热效率(燃 料经济性)可以进一步改善。此外，燃料也从每个都具有相对小直径的宽角度喷射孔37d喷射出。在 涡流流动上流动的同时，每个都具有小的粒径并且以宽角度喷射出的燃料 滴被搅动。结果，借助于作为从宽角度喷射孔37d喷射的结果具有小的粒径 并且以宽角度喷射出的燃料滴，以及作为从窄角度喷射孑L37c喷射的结果每 个都具有大的粒径并且以窄角度喷射出的燃料滴，燃烧室25内的空气和燃 料充分混合。因此，燃烧室25内存在的所有空气都被利用于形成均质空11/ 燃料混合物，从而NOx排放可以更加减少，并且热效率(燃料经济性)可 以进一步改善。(当内燃机10在中负栽区域工作时)当内燃机10在中负栽区域工作时，工作切换装置G1根据工作区域脉镨 图选择火花点火燃烧工作执行装置F3。因此，内燃机10由火花点火燃烧工 作执行装置F3操作，火花点火燃烧工作执行装置F3将吸入燃烧室25的空气和从燃料喷射 阀37喷射到燃烧室2S的燃料预混合以在燃烧室25内形成并且压缩具有均一 燃料空间分布的均质空~燃料混合物，并且通过由作为火花产生装置的火 花塞35产生的点火用火花点燃被压缩的均质空^l/燃料混合物，以由此开始 燃料的火花点火燃烧。更具体地，火花点火燃烧工作执行装置F3通it依次 执行以下动作(见图8 (C)))操作内燃机IO,(1)在燃烧冲程，火花点火燃烧工作执行装置F3在基于内燃机10的 负栽而变化的中负栽用排气阀打开正时EO打开排气阀34。这结束了燃烧冲 程并且开始排气冲程。(2 )火花点火燃烧工作执行装置F3在基于内燃机10的负载而变化的 中负载用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34。这结束了排气冲程并且开始负 重叠时间段。中负载用排气阀关闭正时EC^t定为晚于轻负栽用排气阀关闭 正时EC。200680006107.0说明书第28/50页(3 )火花点火燃烧工作执行装置F3在基于内燃机10的负载而变化的 中负载用进气阀打开正时IO打开进气阀32。这结束了负重叠时间段并且开 始进气冲程。中负载用进气阀打开正时IO设定为在轻负载用进气阀打开正 时IO之前。(4)在吸入燃烧室25内的空气的涡流最强的正时，即，在进气冲程的 早期阶段和/或中期阶段内的正时einj,火花点火燃烧工作执行装置F3从燃 料喷射阀37喷射燃料；所述正时einj在中负载用进气阀打开正时IO和在下 文提及的中负载用进气阀关闭正时IC之间。此时，基于内燃机10的负栽和 发动机转速NE确定待喷射的燃料量，并且待喷射的燃料量是用于获得理论 空燃比(化学计量空燃比)的预定量。此外，在这种情况下，火花点火燃烧工作执行装置F3对燃料喷射阀37 的第一螺线管和第二螺线管两者都通电，从而燃料喷射阀37的针阀的提升 到达高提升。结果，如图10所示喷射燃料。(5 )火花点火燃烧工作执行装置F3在基于内燃机10的负栽而变化的 中负载用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32。这结束了进气冲程并且开始压 缩冲程。为了通过降低实际压缩比来M敲缸，中负载用进气阀关闭正时 IC被设定为晚于轻负载用进气阀关闭正时IC。(6)在接近上死点的点火正时0ig，火花点火燃烧工作执行装置F3从 火花塞3S的火花产生部分35a产生点火用火花，由此火花点火并且燃烧燃 料。此时，火花点火燃烧工作执行装置F3基于内燃机10的负栽和发动机转 速NE确定点火正时eig,这开始了燃烧冲程.根据该工作模式，进气阀关闭正时IC被设定为晚于轻负栽用进气阀关 闭正时IC以由此降低实际压缩比，从而避免了敲釭的发生。此外，如在轻 负载的情况下，由于按如上所述设定燃料喷射正时、空腔22b的上述形状、 涡流导向槽22d的存在以及在第二喷射状态下喷射燃料，所以在空腔22b内 部和外部形成空^/燃料混合物，并且空^/燃料混合物可以有效地吸入空腔 22b。结果，由于燃烧室25内存在的所有空气都被利用于在空腔22b内形成 均质空气/燃料混合物，所以进行了更稳定的火花点火燃烧。因此，NOx排
放可以更加减少，并且热效率(燃料经济性)可以进一步改善。(当内燃机10在高负载区域工作时)当内燃机10在高负载区域工作时，工作切换装置G1根据工作区域脉镨 图选择扩散燃烧工作执行装置F4。因此，内燃机10由扩散燃烧工作执行装 置F4操作。扩散燃烧工作执行装置F4在燃烧室25内压缩吸入燃烧室25的空气，并 且从燃料喷射阀37喷射燃料到压缩空气中，从而开始燃料的扩散燃烧。缸发生可能性，通过扩散燃烧的工作不需要通ii多度延迟进气阀32的关闭 正时(进气阀关闭正时IC)来降低实际压缩比。因此，由于在没有异常燃 烧的情况下内燃机10在高负栽区域中可以燃烧充分量的燃料(或空^/燃料 混合物)，内燃机10可以产生很高的转矩。此外，由于汽油比柴油更容易 气化，内燃机10中扩散燃烧的速度很快。因此，在高发动机转速区域中内 燃机10可以产生较高的输出。更具体地，扩散燃烧工作执行装置F4通过依次执行以下动作(见图8 (D))操作内燃机IO。(1)在燃烧冲程，扩散燃烧工作执行装置F4在基于内燃机10的负栽 而变化的高负栽用排气阀打开正时EO打开排气阀34,这结束了燃烧冲程并 且开始排气冲程，(2 )扩散燃烧工作执行装置F4在基于内燃机10的负栽而变化的高负 载用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34。这结束了排气冲程并且开始负重叠 时间段。高负栽用排气阀关闭正时EC设定为晚于中负栽用排气阀关闭正时 EC。(3)扩散燃烧工作执行装置F4在基于内燃机10的负栽而变化的高负 载用进气阀打开正时IO打开进气阀32，这结束了负重叠时间段并且开始进 气冲程。高负栽用进气阀打开正时IO设定为在中负载用进气阀打开正时IO之前。(4 )扩散燃烧工作执行装置F4在基于内燃机10的负栽而变化的高负 载用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32。这结束了进气冲程并且开始压缩冲 程。高负载用进气阀关闭正时IC设定为在火花点火燃烧工作时的中负载用 进气阀关闭正时IC之前。这是因为扩散燃烧比火花点火燃烧具有更低的敲 缸发生可能性。(5 )扩散燃烧工作执行装置F4在晚于高负载用进气阀关闭正时IC并 且接近压缩上死点的正时einj从燃料喷射阀37喷射燃料。待喷射的燃料量 基于内燃机10的负栽和发动机转速NE而确定，并且是用于获得预定的稀空 燃比。此外，在这种情况下，扩散燃烧工作执行装置F4对燃料喷射阀37的 第一螺线管和第二螺线管两者都通电，从而燃料喷射阀37的针阀的提升成 为高提升。结果，如图ll所示喷射燃料，并且开始燃料通过扩散燃烧^LJ^ 烧的燃烧冲程，根据该工作模式，由于进气阀关闭正时IC (高负栽用进气阀关闭正时 IC)设定为在火花点火燃烧工作时的中负栽用进气阀关闭正时IC之前，实 际压缩比没有大量地下降.而且，燃料通过扩散燃烧而燃烧.结果，在没 有包含过度敲釭的情况下在高压缩比时可以进行稳定燃烧，从而可以提高 通过内燃机10产生的转矩。而且，由于空腔22b的上述形状和涡流导向槽22d的存在，产生了很强 的涡流，该涡流促进了燃料滴和空气(氧)的混合，从而可以提高在扩散 燃烧期间空气的利用。结果，可以改善内燃机IO的热效率.此外，由于每 个燃料滴周围可以存在大量的氣，可以有效地抑制烟的产生.此外，燃料不M窄角度喷射孔37c喷射出而X^宽角度喷射孔37d喷 射出。从宽角度喷射孔37d喷射的燃料的粒径很小。因此，燃料滴与空气(氧) 充分地混合，结果，可以改善内燃机的热效率。此外，由于每个燃料滴周 围可以存在大量的氧，可以有效地抑制烟的产生。 (当内燃机10起动时或处于冷态时)当内燃机10起动时或处于冷态时，工作切换装置Gl选^动/冷态时分 层充料火花点火燃烧工作执行装置F5。例如，当未示出的点火钥匙从OFF 位置变化到ON位置时，工作切换装置G1判定内燃机10起动；并且，当由
冷却水温度传感器64检测到的冷却水温度THW等于或低于阈值水温度 THWth时，工作切换装置G1判定内燃机10处于冷态。因此，当内燃机IO 起动时或处于冷态时，内燃机10由起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作 执行装置F5操作。起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置F5在空腔22b内形成 并且压缩分层空^/燃料混合物；并且通过由作为火花产生装置的火花塞35 产生的点火用火花点燃压缩的分层空气/燃料混合物，从而开始燃料的火花 点火燃烧。更具体地，起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置F5 通过依次执行以下动作操作内燃机IO。(1)起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置F5在预定的起 动/冷态时用进气阀打开正时IO打开进气阀32，由此开始进气冲程。(2 )起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置F5在预定的起 动/冷态时用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32，由此结束进气冲程并且开始 压缩冲程。(3) 起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置FS在压缩冲程 的后期阶段内的预定喷射正时从燃料喷射阀37喷射燃料，该预定喷射正时 在起动/冷态时用进气阀关闭正时IC和压缩上死点TDC之间.这使得喷射的 燃料实质地滞留在空腔22b内。而且，在该时间点，在空腔内产生了很强的 涡流流动.因此，通过该涡流流动，在空腔22b内形成了分层的空^燃料 混合物，注意，在这种情况下，待喷射的燃料的量基于冷却水溫度THW、和/ 或内燃机10的负载以;SJL动机转速NE确定.待喷射的燃料的量是用于获得 理论空燃比(化学计量空燃比)的预定量.此外，起动/冷态时分层充料火 花点火燃烧工作执行装置F5只对燃料喷射阀37的第一螺线管通电，从而燃 料喷射阀37的针阀的提升成为低提升。(4) 在接近压缩上死点TDC的预定点火正时，起动/冷态时分层充料 火花点火燃烧工作执行装置F5压缩在空腔22b内形成的分层空^/燃料混合 物并且从作为火花产生装置的火花塞35产生点火用火花。这开始燃料的火 花点火燃烧，由此开始燃烧冲程。(5 )起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置F5在预定的起 动/冷态时用排气阀打开正时EO打开排气阀34。结果，燃烧沖程结束，并 且排气冲程开始。(6)起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置F5在预定的起 动/冷态时用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34。当内燃机10起动时或处于冷态时，均质空^/燃料混合物的温度不太可 能上升。结果，自动点火燃烧趋向于变得不稳定。为了解决这个问题，如 在上述结构中，在进气阀32关闭之后且在压缩上死点TDC之前的压缩冲程 的后期阶段，燃料从燃料喷射阀37喷射出。这使得燃料能够实质地滞留在 空腔22b内。因此，通过由于空腔22b的上述形状和涡流导向槽22d的存在 而在空腔22b内产生的强进气涡流，沿空腔22b的内周部分形成了分层的空 ^/燃料混合物。然后，分层的空nV燃料混合物通过火花塞35点燃，该火花 塞火花产生部分3Sa位于空腔22b的内周部分。结果，可以改善内燃机10的 起动性能，或者在冷态期间可以进,定的火花点火燃烧，如上所述，根据本发明第 一 实施例的内燃机10在轻负栽区域通过自动 点火燃烧而工作，在中负栽区域通过火花点火燃烧而工作，在髙负栽区域 通过扩散燃烧而工作。结果，内燃机10避免了由于在中负栽区域进行自动 点火燃烧而导致的过大噪声的产生，并且不会产生由于在中负栽区域进行 扩散燃烧而导致的与不穗定燃烧相关的大的转矩变动.此外,在内燃机10中，空腔22b具有底部闭合并且大致为圃筒形的形状， 并且形成为使得作为空腔22b的进口的边缘部分的直径小于空腔22b内部的外周部分形成。而且，火花塞35沿涡流导向槽22d配置。因此，由于火花塞35 (火花塞35的末端部附近)可以配置在涡流导向 槽22d内，火花塞35的火花产生部分35a可以很容易配置在空腔22b的周边 (内周部分)。此外，在空腔22b的壁表面上形成有绝热层。因此，由于保持在空腔22b
内的燃烧气体变得不太可能被冷却，将经受自动点火燃烧的空气/燃料混合 物的温度可以上升为4艮高的温度，由此可以稳定地进行自动点火燃烧。因
此，由于促进了向空腔22b喷射的燃料的气化，所以可以减少扩散燃烧期间 产生的烟的量。
此外，内燃机10包括涡轮增压器81。在内燃机10中，分层充料自动点 火燃烧工作执行装置F1、预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2、 火花点火燃烧工作执行装置F3以及扩散燃烧工作执行装置F4都构成为
(1 )在进气阀32打开之前关闭排气阀34，由此产生从排气阀34的关闭 正时至进气阀32的打开正时的时间段，即负重叠时间段；以及
(2 )以随着内燃机10的负栽增大而缩短负重叠时间段的方式控制排气 阀34的关闭正时和进气阀32的打开正时。
在"负重叠时间段(负气阀重叠时间段)"中，燃烧气体被限制在燃 烧室25内。负重叠时间段以内燃机10的负栽越大则负重叠时间M短的方 式设定。因此，当内燃机10在轻负栽区域或在极轻负栽区域工作时，可以 通过负重叠时间段控制待导入燃烧室25的空气的量。
此外，当内燃;W^负栽大于轻负栽区域的区域(中负载区域或高负栽 区域)工作时，通过涡轮增压器产生的涡轮增压和负重叠时间段控制待导
入燃烧室25的空气的量.结果，由于配置在内燃机10的进气通路内的节气
阀47可以保持基本完全打开，与节流节气阀47的节流作用相关的能量损失
减少，从而可以改进内燃机IO的燃料经济性.
此外，燃料喷射阀37具有在针阀37b处于低提升状态或高提升状态时打 开以进行燃料喷射的窄角度喷射孔组，和仅在针阀37b处于高提升状态时打 开以进行燃料喷射的宽角度喷射孔组。
因此，通过简单的结构可以在对应于工作状态的上述喷射状态(第一 喷射状态或第二喷射状态)喷射燃料。而且，由于可以很容易增加燃料喷 射阀37的动态范围(最小燃料喷射量和最大燃料喷射量之差)，即4吏在高 负载时也可以喷射充分量的燃料。
<第二实施例>
下面，将对根据本发明第二实施例的内燃机进行说明。该内燃机与根
据第 一 实施例的内燃机10的不同之处仅在于以下的功能添加到工作切换装 置G1上。以下的说明将集中在这些差别上。
(从均质预混合充料压缩自动点火工作至分层充料自动点火燃烧工作 的切换)
如上所述，工作切换装置G1根据图7所示的工作区域脉谦图从工作执 行装置F1至F4中进行选择，从而切换工作。
此外，在预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2正在执行燃烧 均质空气/燃料混合物的预混合充料压缩自动点火燃烧工作的情况下，工作 切换装置G1通过将由气釭压力传感器63检测到的气缸压力P在与单次燃烧 相关的从压缩冲程开始至燃烧冲程结束的时间段内进行平均而获得气缸压 力平均值Pi。而且，工作切换装置G1通过将与多次过去的燃烧相关的气釭 压力平均值Pi进行平均而获得平均气釭压力平均值Piave。
此外，工作切换装置G1用当前燃烧相关的气釭压力平均值Pi与平均气 缸压力平均值Piave之差的绝对值(|Pi-Piave|)除以平均气缸压力平均值 Piave，由此获得基于所述差的绝对值(|Pi - Piavel )的AP( AP |Pi - Piavej/ Piave)。当工作切换装置G1基于由所述差的绝对值得到的值AP超过预定
执行的自动点火燃烧已经变得不稳定时，工作切换装置G1将工作从通过预 混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2执行的预混合充料压缩自动 点火工作切换为通过分层充料自动点火燃烧工作执行装置F1执行的自动 点火燃烧工作，
根据该特征，当通过预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2执 行的自动点火燃烧被判定为不稳定时，工作切换为通过分层充料自动点火 燃烧工作执行装置F1执行的自动点火燃烧工作。因此，可以避免由于内燃 机工作中的不稳定引起的转矩变动等发生的情况。
(从预混合充料压缩自动点火工作至火花点火燃烧工作的切换)
此外，在预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2正在执行燃烧
均质空气/燃料混合物的预混合充料压缩自动点火燃烧工作的情况下，工作
切换装置G1基于由气缸压力传感器63检测到的气缸压力P获得每单位时间 或单位曲柄转角气缸压力P的变化量，即气釭压力变化率(dP/dt或dP/de，
其中t是时间，e是曲柄转角)。当获得的气缸压力变化率(dP/dt或dP/ae)
超过预定变化率dPth时，工作切换装置G1将工作从燃烧均质空气/燃料混 合物并且通过预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置F2执行的预混
合充料压缩自动点火燃烧工作切换为燃烧均质空气/燃料混合物并且通过
火花点火燃烧工作执行装置F3执行的火花点火燃烧工作。
根据该特征，从气缸压力变化率(dP/dt或dP/de)是否超过预定变化 率dP他，判定与均质空^y燃料混合物的预混合充料压缩自动点火燃烧相关 的噪声是否过大。当基于气缸压力变化率(dP/dt或dP/de)超过预定变化 率dPth而判定出(确定)与均质空^/燃料混合物的预混合充料压缩自动点 火燃烧相关的噪声过大时，工作从通过预混合充料压缩自动点火燃烧工作
执行装置F2执行的自动点火燃烧工作切换为通过火花点火燃烧工作执行 装置F3执行的火花点火燃烧工作。因此，可以避免过大噪声的产生。
(从燃烧均质空气/燃料混合物的火花点火燃烧工作至扩散燃烧工作 的切换)
另外，当火花点火燃烧工作执行装置F3正在执行火花点火燃烧工作 时，工作切换装置G1基于由气釭压力传感器63检测到的气缸压力P检测敲 缸。例如，工作切换装置Gl检测在气釭压力P接近于最大值Pmax的时间段 期间气釭压力的局部最小值Psmall与紧接该局部极小值Psmall之后出现的 气釭压力的局部最大值Plargeil差的绝对值，作为气釭压力变化APh。当气 缸压力变化APh超过预定阈值(例如，最大值Pmax的预定比例)时，工作 切换装置G1判定敲缸已经发生(例如，参见日本专利申请未审定^^报No. 2004 -184228)。
然后，工作切换装置G1基于检测到的敲缸获得敲缸发生频率(表示在 单次燃烧中检测到多少次敲缸的值)。当获得的敲缸发生频率超过预定频 率时，工作切换装置G1将工作从通过火花点火燃烧工作执行装置F3执行的
火花点火燃烧工作切换为通过扩散燃烧工作执行装置F4执行的扩散燃烧 工作。
根据该特征，在敲缸频率变得过大之前，工作从火花点火燃烧工作切 换到扩散燃烧工作。因此，可以避免敲缸过度频繁的发生。应当注意，工 作切换装置G1可以使用基于内燃机的振动检测敲缸的已知的敲缸传感器 来检测敲釭。
<第三实施例>
下面，将对根据本发明第三实施例的内燃机进行说明。该内燃机具有 类似于内燃机10的结构。然而，该内燃机是构成为执行2循环工作的2循环 内燃机，其中每隔360度的曲柄转角，在燃烧室25与构成为在燃烧室25内产 生进气涡流的进气口31之间的连通通过关闭进气阀32而被切断时，通过建 立燃烧室25与排气口33之间的连通(通过排气阀34的打开)开始排气冲程； 然后，通过建立燃烧室25与进气口31之间的连通(通过进气阀32的打开) 开始扫气冲程；然后，通过切断燃烧室25与排气口33之间的连通(通过排 气阀34的关闭)开始进气沖程；然后，通过切断燃烧室25与进气口31之间 的连通(通过进气阀32的关闭)开始压缩冲程；并且随后，开始燃烧冲程。
如图12所示，上述类型的内燃机90包括分层充料自动点火燃烧工作执 行装置H1、预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2、扩散燃烧工作 执行装置H3以及工作切换装置G2.通过由电子控制单元70的CPU 71执行 相关的预定程序而实现这些装置的功能.因此，以下将说明通过这些装置 完成的而实际由CPU71实现的这些工作。
工作切换装置G2具有存储于ROM 72中的如图13所示的工作区域脉镨 图，工作切换装置G2基于内燃机90的负栽、发动机转速NE以及工作区域 脉镨图确定工作区域。工作切换装置G2根据对应于所确定的工作区域的工 作模式执行工作。内燃机90的负栽可以是基于加速踏板66的操作量Accp和 发动机转速NE确定的所需转矩Tqtgt，或者可以仅仅是加速踏板66的操作 量Accp。
根据图13所示的工作区域脉谱图，负栽小于预定第一负栽的极轻负栽
区域对应于分层充料自动点火燃烧工作区域；负载大于第一负载并且小于 第三负载(该第三负载大于第一负载)的轻负载区域以及中负载区域(轻/ 中负载区域)对应于均质充料自动点火燃烧工作区域；负载大于第三负载 的高负栽区域对应于扩散燃烧工作区域。 (当内燃机90在极轻负载区域工作时)
当内燃机90在极轻负载区域工作时，工作切换装置G2根据工作区域脉 镨图选择分层充料自动点火燃烧工作执行装置H1。因此，内燃机卯由分层 充料自动点火燃烧工作执行装置H1操作。
分层充料自动点火燃烧工作执行装置Hl实质仅在空腔22b内形成均质 空气/燃料混合物(即，总体上在燃烧室25中的分层空^/燃料混合物)，并 且将空气/燃料混合物压缩从而自动点火并且燃烧燃料。更具体地，分层充 料自动点火燃烧工作执行装置H1通过依次执行以下动作(见图14 (A)) 操作内燃机90。
(1)在燃烧冲程，分层充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H1在基于
开始了排气冲程，其中燃烧气体通过排气口 33从燃烧室25排出。
(2 )分层充料自动点火燃烧工作执行装置H1在基于内燃机90的负栽 而变化的极轻负栽用进气阀打开正时IO打开进气阀32。这开始了扫气冲 程，其中空气通过进气口31流入燃烧室2S并且流入燃烧室的空气通过排气 口 33将燃烧气体从燃烧室25排出.
(3) 分层充料自动点火燃烧工作执行装置H1在基于内燃机90的负栽 而变化的极轻负载用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34.这结束了扫气沖程 并且开始进气冲程。
(4) 分层充料自动点火燃烧工作执行装置H1在基于内燃机90的负栽 而变化的极轻负栽用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32,这开始了压缩沖 程。
(5) 在压缩冲程的中期阶段内的正时einj，分层充料自动点火燃烧工 作执行装置H1从燃料喷射阀37喷射基于内燃机90的负栽和发动机转速NE
确定的预定量的燃料，所述正时einj在极轻负载用进气阀关闭正时IC与压 缩上死点TDC之间。在这种情况下，待喷射的燃料的总量是用于获得极稀
的空燃比。此外，分层充料自动点火燃烧工作执行装置m只对燃料喷射阀
37的第一螺线管通电，从而燃料喷射阀37的针阀的提升变为低提升。
结果，如图9所示，喷射的燃料实质地滞留在空腔22b内。因此，均质 空气/燃料混合物实质上只在空腔22b内形成。然后，均质空气/燃料混合物 被压缩，并且随后开始燃烧冲程，其中燃料被自动点火并且燃烧。
因此，即使在燃料量很少的极轻负栽工作区域，也可以在空腔22b内可 靠地形成对于自动点火具有充分高浓度的空^/燃料混合物，从而可以进行 稳定的自动点火燃烧。结果，可以执行自动点火工作的工作区域扩大至较 轻负载的区域。因此，在这样的轻负载区域中不需^C行火花点火燃烧工 作，并且因此，NOx排放可以更加减少，并且燃料经济性可以进一步改善。
而且，由于空腔22b的上述形状和涡流导向槽22d的存在，进气可以高 效地吸入空腔22b内，因此，由于进气涡流的涡流半径变得^^小，涡流流动 可以被加强。结果，可以实质上只在空腔22b内很容易形成均质空^燃料 混合物，从而可以抑制NOx的产生，
同时，燃料在燃料以窄喷射角度喷射出的第一喷射状态喷射出。在喷 射燃料的压缩冲程的中期阶段，在燃料喷射阀37与其上形成空腔22b的活塞 22的顶面之间存在相对大的距离。因此，通过以如上所迷的具有窄垂直角 度的圃锥形形状(囷锥的形状)喷射燃料，喷射的燃料可以可靠地导入到 空腔22b内。
此外，由于燃料从具有大直径的窄角度喷射孔37c喷射出，喷射的燃料 滴的直径变得相对较大。因此，燃料可以可靠地到达空腔22b的内部。结果， 由于可以减少存在于空腔22b的外部并且没有贡献给自动点火燃烧的燃料 的量，可以抑制未燃HC的产生，并且可以改进燃料经济性。 (当内燃机90在轻/中负载区域工作时)
当内燃机90在轻/中负栽区域工作时，工作切换装置G2根据工作区域脉 语图选,混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2,因此，内燃机卯
由预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2操作。预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2在燃烧室25内形成并 且压缩均质空气/燃料混合物，以由此开始燃料的自动点火燃烧。更具体地， 预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2通过依次执行以下动作(见 图14 (B))操作内燃机卯。(1)在燃烧冲程，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2在34。这结束了燃烧冲程并且开始排气冲程。(2 )预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2在基于内燃机卯 的负载而变化的轻/中负栽用进气阀打开正时IO打开进气阀32。这结束了排 气冲程并且开始扫气冲程。(3 )在从燃烧室25与进气口31之间的连通的建立至该连通的切断之间 的时间段内(从进气阀32打开至进气阀32关闭的时间段内)在^X燃烧室 25的空气的涡流最强的正时einj，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行定量的燃料。在这种情况下待喷射的燃料的总量是用于获得极稀的空燃比.此外， 在这种情况下，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2对燃料喷射 阀37的第一螺线管和第二螺线管两者都通电，从而燃料喷射阀37的针阀的 提升变为高提升.因此，燃料如图10所示喷射出。由于如上所迷设定燃料喷射正时，并且燃料根据笫二喷射状态喷射出， 喷射的燃料到达燃烧室25的整个区域并且被燃烧室25内的强空气涡流搅 动。此外，由于空腔22b形成为使得存在于空腔22b外部的空^燃料混合物 可以有效地i^到空腔22b内，燃烧室25内存在的所有空气都被利用于在空 腔22b内形成均质空气/燃料混合物。结果，NOx排放可以更加减少，并且 热效率(燃料经济性)可以进一步地改善，(4)预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2在基于内燃机卯 的负载而变化的轻/中负载用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34.这结束了
扫气冲程并且开始进气冲程。(5 )预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置H2在基于内燃机90 的负载而变化的轻冲负载用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32。这结束了进 气冲程并且开始压缩冲程。形成的均质空气/燃料混合物被压缩，由此开始 燃烧冲程，其中燃料^L自动点火并且燃烧。(当内燃机90在高负载区域工作时)当内燃机90在高负栽区域工作时，工作切换装置G2根据工作区域脉谙 图选择扩散燃烧工作执行装置H3。因此，内燃机卯由扩散燃烧工作执行装 置H3操作。扩散燃烧工作执行装置H3在燃烧室25内压缩吸入燃烧室25的空气，并 且从燃料喷射阀37喷射燃料到压缩空气中，由此开始燃料的扩散燃烧.更 具体地，扩散燃烧工作执行装置H3通过依次执行以下动作(见图14(C)) 操作内燃机卯。(1)在燃烧冲程，扩散燃烧工作执行装置H3在基于内燃机90的负栽 而变化的高负栽用排气阀打开正时EO打开排气阀34。这开始了排气冲程。(2 )扩散燃烧工作执行装置H3在基于内燃机90的负栽而变化的高负 载用进气阀打开正时IO打开进气阀32。这开始了扫气冲程。(3 )扩散燃烧工作执行装置H3在基于内燃机90的负栽而变化的高负 栽用排气阀关闭正时EC关闭排气阀34。这开始了进气冲程.(4) 扩散燃烧工作执行装置H3在基于内燃机90的负载而变化的高负 栽用进气阀关闭正时IC关闭进气阀32。这开始了压缩冲程.高负栽用进气阀关闭正时IC (即，燃烧室2S与进气口31之间的连通被 切断的正时)被设定为在假定在扩散燃烧工作被实际执行的高负栽区域中进气口之间的连通的正时之前的正时(即，高负载用进气阀关闭正时IC被 设定为与轻冲负载用进气阀关闭正时IC基本一致的正时)。(5) 然后，扩散燃烧工作执行装置H3在压缩冲程期间接近上死点的 燃料喷射正时0inj从燃料喷射阀37喷射燃料，从而开始燃烧冲程，其中燃 料通过扩散燃烧而燃烧。待喷射的燃料量基于内燃机卯的负载和发动机转速NE而确定并且是用于获得预定的稀空燃比。此外，在这种情况下，扩散 燃烧工作执行装置H3对燃料喷射阀37的第一螺线管和第二螺线管两者都 通电，从而燃料喷射阀37的针阀的提升变为高提升。结果，燃料如图ll所 示喷射出。根据上述特征，由于切断燃烧室25与进气口31之间连通的正时被设定断燃烧室25与进气口31之间连通的正时之前，实际压缩比没有很大的下降。 而且，燃料通过扩散燃烧而燃烧。结果，在没有包含过度敲缸的情况下在 高压缩比时可以进行稳定燃烧，从而可以提高由内燃机卯产生的转矩。 <第四实施例>下面，将对根据本发明笫四实施例的内燃机进行说明，该内燃机是所 谓的单流式2循环内燃机并且使用汽油作为燃料。首先，将参照图15说明2 循环内燃机的工作(工作循环)概要。该单流式内燃机包括连接到燃烧室的上部(气缸CY)上的排气口 EXP;用于打开/关闭排气口EXP的排气阀EXV;其一端与气釭CY的孔壁 连接的进气口 (也被称作扫气口 ) INP;燃料喷射阀INJ;火花塞IGN;以 及增压器(在本示例中，涡轮增压器)T/C。该内燃机在使活塞PS在气缸 CY内移动并且打开/关闭排气阀EXV(排气口EXP)以及进气口INP的同时 通过燃烧燃料与空气的混合物而产生动力.以均质空^a/燃料混合物的自动 点火燃烧为例，挣农次说明工作冲程.如图15(a)所示，当空ny燃料混合物被点燃时，空^l/燃料混合物开 始燃烧以由此在气缸CY内产生高压燃烧气体.这开始了燃烧冲程(膨胀冲 程)，其中活塞PS从上死点向下死点移动，然后，在活塞PS到达预定位置的适当的正时，排气阀EXV打开。在该 时间点，气釭CY内燃烧气体的压力很高。因此，如图15(b)所示，燃烧 气体通过排气阀EX和排气口 EXP排出到气缸CY的外部.活塞PS继续向下 死点移动。
随后，当活塞PS进一步向下死点移动并且到达预定位置时，被活塞的 侧壁关闭的进气口INP的端部(开口部分或扫气部分)打开。这建立了进 气口 INP与气缸CY之间的连通。进气口 INP的内部被涡轮增压器T/C加压。 因此，当进气口INP的开口部分被打开时，进气口INP中的空气流入气缸 CY中。流入的空气将气缸CY的燃烧气体向排气阀EXV挤压。如图15(c) 所示，燃烧气体通过^^气口EXP进一步地^L排出。即，扫气开始。然后，活塞PS经过下死点并且开始向上死点移动。即使在该阶段，进 气口INP内的空气压力也很高，并且因此，如图15(d)所示，继续扫气。随后，当活塞PS继续向上死点移动并且到达上述预定位置时，活塞PS 的侧壁关闭进气口INP的端部(开口部分)。这切断了进气口INP与气缸 CY之间的连通。紧接在此前后，打开排气阀EXV。在该时间点，如图15 (e)所示，燃料从燃料喷射阀INJ喷射出。活塞PS继续向上死点移动。结果，如图15(f)所示，均质空^燃料 混合物形成并且被压缩，并且当活塞PS到达接近上死点时自动点火燃烧开 始。以上说明的是单流式2循环内燃机的工作概要。然后将对单流式内燃机的结构进行说明.图16示出了内燃机100的示意 性结构。图16只是示出了特定气釭的截面，但其它气釭也具有类似的结构.内燃机100包括气缸体110;固定到气缸体110上的气釭盖120;进气 系统130;用于将排气排出到发动机外部的排气系统140;以及电子控制单 元170。在下面的说明中，从气缸体110向气釭盖120的方向被称作"向上"， 从气缸盖120向气釭体110的方向被称作"向下"。气釭体110具有空心圃筒形的气釭111,气釭体110容纳活塞112、连杆 113以及曲轴114。活塞112在气缸111内往复运动，活塞112的往复运动经由 连杆113传递到曲轴114，由此转动曲轴114。气缸lll的孔壁表面、活塞112 的顶面(活塞头部)以及气缸盖120的下表面形成燃烧室115。在活塞112 的中央部分形成空腔112a。如空腔22b—样，空腔112a具有底部闭合并且大 致为圆筒形的形状。此外，气缸体110包括一对第一进气口116、 一对第二进气口117以及进
气气室118并且具有一对进气控制阀119。第一进气口116每个都具有管状的形状。第一进气口116形成为使得其 轴线与垂直于气缸lll的轴线的平面基本平行。如图17的示意性截面图所 示，第一进气口116与进气气室118连接并且与气缸111连接，并且适于将空 气沿气缸lll的孔壁表面导入气缸lll。因而，通过进气口 116流入燃烧室115 的空气在燃烧室115内产生进气涡流；因此，进气口116被称作涡流口。每个第一进气口116都被在气缸lll附近的肋116a分为两半。这样在气 缸lll的孔壁表面形成两个开口部分116b和116c,开口部分116b和116c设置 在使得其在活塞112从上死点向下死点(即，向下)移动时通过活塞112的 侧壁被打开的位置。当开口部分116b和116c被打开时，建立了第一进气口 116与燃烧室115之间的连通。另一方面，当活塞112从下死点向上死点(即， 向上)移动时，开口部分116b和116c通过活塞112的侧壁被关闭，这切断了 第一进气口116与燃烧室115之间的连通。每个笫二进气口 117都具有管状的形状。笫二进气口 117与进气气室118 连接并且与气缸lll连接。第二进气口 117以相对于垂直于气缸111轴线的平 面倾斜的方式形成，从而空气倾斜地向下流入气釭lll中.第二进气口1V7 的轴线指向气缸lll的轴线，第二进气口117被称作直口。每个第二进气口117都被在气釭lll附近的肋117a分为两半.这样在气 缸lll的孔壁表面形成两个开口部分117b和117c, —个进气口117的开口部 分117b与另一进气口in的开口部分117c在气釭lll插入其中的状态下彼此 相对，并且一个进气口 117的开口部分117c与另一进气口 117的开口部分 117b在气釭lll插入其中的状态下彼此相对.开口部分117b和117c设置在使得其在活塞112向下移动时通过活塞112 的侧壁被打开的位置。当开口部分117b和117c被打开时，建立了第二进气 口117与燃烧室115之间的连通。同时，当活塞112向上移动时开口部分117b 和117c通过活塞112的侧壁被关闭。这切断了第二进气口117与燃烧室115 之间的连通。作为采用这种结构的结果，通过各个第二进气口117流入气缸111的空
气撞击活塞112的顶面以倾斜向上地改变其方向。而且，通过两个相对的进 气口 117 (通过两个相对的进气口 117的开口部分117b和117c)流入气缸lll 的空气在气缸111的轴线附近碰撞。这样在气釭111内产生了沿气釭111的轴 线上升的上升空气流。根据来自电子控制单元170的指令，进气控制阀119在各个第二进气口 117内枢轴地移动，以打开/关闭第二进气口117。再次参照图16，气缸盖120固定在气釭体110的上部。气缸盖120包括 连接到燃烧室115的排气口121;排气阀122;用于驱动排气阀122的驱动臂 123;电磁致动器124;火花塞125;包括点火线困(其产生作用到火花塞125 上的高电压)的点火器126;以及用于直接喷射燃料到燃烧室115内的燃料 喷射岡(燃料喷射装置)127。火花塞125和点火器126构成用于在燃烧室115 内产生点火用火花的火花产生装置。如从燃烧室115观察示出了气缸盖120底侧的图18所示，排气口121构成 为在气釭lll中夹周围的三个位置打开。相应地，三个排气阀122L置在气 缸盖120上。排气阀122打开/关闭相应的排气口121的开口.排气口121与燃 烧室115的连通在排气口121的开口通it目应的排气阀122打开时被建立，并 且在排气口121的开口通过相应的排气阀122关闭时被切断，三个排气阀122以它们的轴线彼此平行(平行于气缸lll的轴线)的方 式布置.弹篑122a偏置各排气阀122，从而关闭开向燃烧室115的排气口121 的开口 .三个排气阀122在其上端部分连接到如图19所示驱动臂123的相应 端部123a。电磁致动器124使驱动臂123的中央部分123b向下移动以使排气 阀122向下移动，从而形成为开向燃烧室115的排气口121的开口被打开.燃料喷射阀127具有如上述燃料喷射阀37相同的结构。未示出的燃料箱射阀127,如图18所示，燃料喷射阀127配置在气缸111的中央。燃料喷射阀 127向活塞112的空腔112a喷射燃料。进气系统130包括与进气气室118连通的气室131;其一端与气室131 连接的进气管132;以及从进气管132的另一端向下游侧(气室131)依次配置在进气管132中的空气滤清器133、涡轮增压器(增压器或增压装置)150 的压缩才几151、中间冷却器152和节气阀154。节气阀154由进气管132可转动地支承并且由节气阀致动器154a驱动， 由此改变进气通路的开口截面积。排气系统140包括排气管141，其包括与排气口121连通并且与排气口 121—起形成排气通路的排气歧管；配置在排气管141中的涡轮增压器150 的涡轮153;以及配置在涡轮153下游的排气管141中的催化转化器155。如 涡轮增压器81的情况一样，涡轮增压器150压缩进气通路内的空气并且由此 用空气对燃烧室115增压。内燃机100包括曲轴位置传感器161、加速器开度传感器162以及连接到 这些设备的电气控制单元170。曲轴位置传感器161、加速器开度传感器162 以及电气控制单元l 70分别与曲轴位置传感器62 、加速器开度传感器65以及 电气控制单元70具有相同的结构和功能。如图20所示，内燃机100包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置J1、 预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2、扩散燃烧工作执行装置J3 以及工作切换装置G2。这些装置的功能通过由电气控制单元170的CPU执 行相关的预定程序而实现。因此，以下将说明由这些装置执行的并且实际 上由CPU实现的工作。(当内燃机100在极轻负栽区域工作时)当内燃机100在极轻负栽区域工作时，工作切换装置G2根据图13所示 的工作区域脉谦图选择分层充料自动点火燃烧工作执行装置J1。因此，内 燃机100由分层充料自动点火燃烧工作执行装置J1操作。分层充料自动点火燃烧工作执行装置Jl实质上仅在空腔112a内形成均 质空气/燃料混合物(即，总体上在燃烧室25内形成分层空^/燃料混合物)， 并且将空气/燃料混合物压缩至自动点火并且燃烧燃料.更具体地，分层充 料自动点火燃烧工作执行装置J1通过依次执行以下动作(见图21 (A)) 操作内燃机IOO。(1)在燃烧冲程，分层充料自动点火燃烧工作执行装置J1在基于内燃机100的负载而变化的极轻负载用排七阀打开正时EO打开排七阀122。这开始了排气冲程，其中建立了排气口121与燃烧室115之间的连通，由此燃烧 气体从燃烧室115排出。(2) 然后，在进气口打开正时IPO，活塞112从上死点侧向下死点侧 的运动建立了第一进气口 116和第二进气口 117与燃烧室115之间的连通。此 时，控制进气控制阀119以关闭各第二进气口117。因此，空气通过第一进 气口116流入燃烧室115，从而产生进气涡流。流入的空气将燃烧气体向排 气口121推进，并且因此，燃烧气体从燃烧室115排出。即，扫气冲程开始。(3) 然后，在进气口关闭正时IPC，活塞112从下死点侧向上死点侧 的运动切断了第一进气口 116和第二进气口 1H与燃烧室115之间的连通。同从而分层充料自动点火燃烧工作执行装置J1关闭排气阀122。这开始了压缩 冲程。(4) 在压缩冲程的中期阶段内的正时einj，分层充料自动点火燃烧工NE确定的预定量的燃料，所述正时einj在极轻负栽用进气口关闭正时IPC 和排气阀关闭正时EC之后，但在压缩上死点TDC之前。在这种情况下，待 喷射的燃料的总量是用于获得极稀的空燃比.此外，分层充料自动点火燃 烧工作执行装置Jl只对燃料喷射阀127的笫 一螺线管通电，从而燃料喷射阀 127的针阀的提升变为低提升。结果，喷射的燃料实质地滞留在空腔112a内，从而实质上仅在空腔112a内形成均质空^/燃料混合物。然后，均质空^/燃料混合物被压缩，并且因 此，开始燃料被自动点火并且燃烧的燃烧冲程，因此，即使在燃料量^f艮少的极轻负载工作中，也可以在空腔112a内可 靠地形成对于自动点火具有充分高浓度的空^/燃料混合物，从而可以进行 稳定的自动点火燃烧。结果，可以执行自动点火工作的工作区域可以扩大 为覆盖更轻负栽的区域，由此在这样的极轻负栽区域中消除了执行火花点 火燃烧工作的必要性，因此，NOx排放可以更加减少，并且燃料经济性可
以进一步改善。而且，由于可以减少存在于空腔112a外部并且没有贡献给 自动点火燃烧的燃料的量，所以可以抑制未燃HC的产生，并且可以进一步 改进燃料经济性。(当内燃机100在轻/中负载区域工作时)当内燃机100在轻/中负栽区域工作时，工作切换装置G2根据工作区域 脉镨图选,混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2。因此，内燃机 IOO由预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2操作。预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2在燃烧室115内形成并 且压缩均质空^l/燃料混合物以由此开始燃料的自动点火燃烧。更具体地， 预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2通过依次执行以下动作(见 图21 (B)))操作内燃机100'(1)在燃烧冲程，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2在基122。这开始了排气冲程。(2) 然后，在进气口打开正时IPO建立第一进气口116和第二进气口 117与燃烧室115的连通。这开始了扫气冲程。此时，控制进气控制阀119 从而关闭各第二进气口117。因此，产生进气涡流。而且，在该扫气冲程中， 进行进气。(3) 然后，在进气口关闭正时IPC切断第一进气口116和第二进气口 117与燃烧室115的连通.1^，到il^于内燃机100的负栽而变化的轻/中 负栽用排气阀关闭正时EC,从而预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装 置J2关闭排气阀122。这开始了压缩冲程。(4) 在压缩冲程的早期阶段内的正时einj，预混合充料压缩自动点火转速NE确定的预定量的燃料，所述正时einj与轻/中负栽用排气阀关闭正时 EC同步或稍晚于排气阀关闭正时EC。即，预混合充料压缩自动点火燃烧 工作执行装置J2在早于极轻负载用喷射正时einj的轻/中负载用喷射正时einj喷射燃料，以由此形成均质空ny燃料混合物。
在这种情况下，待喷射的燃料的总量是用于获得极稀的空燃比。此外，在这种情况下，预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置J2对燃料喷射 阀127的第一螺线管和第二螺线管两者都通电，从而燃料喷射阀127的针阀 的提升变为高提升。在该阶段，进气涡流仍然保持很强。因此，空^/燃料混合物通过进气 涡流被搅动，由此燃烧室115内存在的所有空气被利用于形成均质空气/燃 料混合物。均质空气/燃料混合物被吸入空腔112a内并且然后被压缩，由此 开始燃料被自动点火并且燃烧的燃烧冲程。结果，NOx排放可以更加减少， 并且热效率(燃料经济性)可以进一步改善。 (当内燃机100在高负载区域工作时)当内燃机100在高负栽区域工作时，工作切换装置G2根据工作区域脉 镨图选择扩散燃烧工作执行装置J3。因此，内燃机100由扩散燃烧工作执行 装置J3操作。扩散燃烧工作执行装置J3在燃烧室115内压缩吸入燃烧室115的空气， 并且从燃料喷射阀127喷射燃料到压缩空气中，由此开始燃料的扩散燃烧。 更具体地，扩散燃烧工作执行装置J3通过依次执行以下动作(见图21(C)) 操作内燃机IOO。(1) 在燃烧冲程，扩散燃烧工作执行装置J3在基于内燃机100的负栽 而变化的高负栽用排气阀打开正时EO打开排气阀122。这开始了排气冲程。(2) 然后，在进气口打开正时IPO建立笫一进气口116和笫二进气口 117与燃烧室115的连通。这开始了扫气冲程.此时，控制进气控制阀119 从而打开各第二进气口 117。(3) 然后，在进气口关闭正时IPC切断第一进气口116和第二进气口 117与燃烧室115的连通。进气口关闭正时IPC不随负载而变化。换句话说， 进气口关闭正时IPC早于在实际执行扩散燃烧工作的高负栽区域中假设如 图l所示的顶置气阀式内燃机执行火花点火燃烧的情况下为了避免敲缸过 度发生而设定的进气阀关闭正时Icig (即，进气口关闭正时IPC是轻/中负 载用进气口关闭正时)。 (4)然后，到达基于内燃机100的负载而变化的高负载用排气阀关闭 正时EC，从而扩散燃烧工作执行装置J3关闭排气阀122。这开始了压缩冲程。(5 )然后，扩散燃烧工作执行装置J3在压缩冲程内接近压缩冲程上死 点的燃料喷射正时0inj从燃料喷射阀127喷射燃料，以由此开始燃料的扩散 燃烧。待喷射的燃料量基于内燃机100的负载和发动机转速NE而确定。此 外，在这种情况下，扩散燃烧工作执行装置J3对燃料喷射阀127的第一螺线 管和第二螺线管两者都通电，从而燃料喷射阀127的针阀的提升变为高提升。根据该特征，由于在高负载时燃烧室115与第一进气口116和第二进气 口117的连通切断正时与在轻冲负载时相同(一致)，实际压缩比没有大 量的下降。结果，没有引起过度的敲釭.此外，燃料通过扩散燃烧而燃烧。 因此，在高压缩比时可以进g定的燃烧，从而可以提高由内燃机100产生 的转矩。与2循环内燃机90的情况一样，在2循环内燃机100中，高温燃烧气体可 以立即用于将经受下次燃烧的空气/燃料混合物的温度，从而可以稳定地进 行自动点火燃烧。因此，执行自动点火燃烧工作的工作区域可以扩大至覆 盖更低负栽的区域。结果，由于在实际区域中可以执行自动点火燃烧工作， 所以NOx排放量可以减少，并且燃料经济性可以改进。此外，在高负栽区域中，执行通过涡轮増压器1S0的增压和扩散燃烧， 由此能够在没有引起敲釭的情况下进行燃烧.结果，内燃机100可以产生大 的最大转矩。应当注意，在内燃机100中，扫气冲程和进气冲程是同时进行的。然而， 内燃机100可以构成为执行2循环工作，其中每隔360度的曲柄转角，当燃烧 室115与进气口116之间的连通被切断时，通过建立燃烧室115与排气口121 之间的连通开始排气冲程；然后，通过建立燃烧室115与进气口116之间的 连通开始扫气冲程；然后，通过切断燃烧室115与排气口121之间的连通开 始进气冲程；然后，通过切断燃烧室115与进气口116之间的连
冲程；并且随后，开始燃烧冲程。如上所述，根据本发明的内燃机的实施例构成为在较轻负裁时至少执 行燃烧均质空气/燃料混合物的自动点火燃烧工作，在较高负载时至少执行 扩散燃烧工作。因此，可以改进燃料经济性；可以减少NOx排放量；并且 当避免敲缸的同时可以产生很高的转矩。由于可以除去火花点火燃烧工作 区域或使得火花点火燃烧工作区域变得较小，所以可以减少NOx排放量， 并且可以改进燃料经济性。此外，在可以除去火花点火燃烧工作区域的情 况下，可以除去诸如火花塞和点火器之类的点火用火花产生装置，从而可 以降低内燃机的成本。本发明并不局限于上述实施例，并且可以在不背离本发明的范围的情 况下作出各种其它形式的修改。例如，上述实施例采用涡轮增压器作为增 压器；然而，可以使用机械式增压器。而且，在通过分层充料自动点火燃 烧工作执行装置执行的工作中，在通过预混合充料压缩自动点火燃烧工作 执行装置执行的工作中，以絲通过扩散燃烧工作执行装置执行的工作中， 为了更稳定的燃烧可以辅助地产生点火用火花。
权利要求
1.一种内燃机，包括燃料喷射装置，所述燃料喷射装置用于将汽油燃料喷射到燃烧室内，所述燃烧室由所述内燃机的活塞的顶面、气缸的孔壁表面以及气缸盖的下表面限定出；以及预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃机在轻负载区域工作时，所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置将吸入所述燃烧室内的空气与从所述燃料喷射装置喷射到所述燃烧室内的燃料预混合，并且形成和压缩具有均一的燃料空间分布的均质空气/燃料混合物以由此开始所述燃料的自动点火燃烧；所述内燃机还包括扩散燃烧工作执行装置，当所述内燃机在负载大于所述轻负载区域的高负载区域工作时，所述扩散燃烧工作执行装置在所述燃烧室内压缩吸入所述燃烧室内的空气并且从所述燃料喷射装置喷射燃料到所述压缩的空气中以由此代替所述燃料的自动点火燃烧而开始所述燃料的扩散燃烧。
2. 根据权利要求1所述的内燃机，所述内燃机构成为执行4循环工 作，其中每隔720度的曲柄转角，重复进气沖程、压缩冲程、燃烧冲程以 及排气沖程，并且所述内燃机包括涡流产生装置，所述涡流产生装置用于通过将所述空气吸入到所述燃 烧室而在所述燃烧室内产生进气涡流；火花产生装置，所述火花产生装置用于在所述燃烧室内产生点火用火 花；以及火花点火燃烧工作执行装置，当所述内燃机在负栽大于所述轻负栽区 域并且小于所述高负栽区域的中负载区域工作时，所述火花点火燃烧工作 执行装置将吸入所述燃烧室内的空气与从所述燃料喷射装置喷射到所述燃 烧室内的燃料预混合，形成并且压缩具有均一的燃料空间分布的均质空气/ 燃料混合物，并且通过由所述火花产生装置产生的点火用火花点燃所述压 其中所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置构成为，在基于在阀，并且在吸入所述燃烧室内的空气涡流最强的进气冲程的早期阶段和/i均质空气/燃料混合物，所述喷^正时在所迷轻负载用i^气阀打开正时和 所述轻负载用进气阀关闭正时之间；所述火花点火燃烧工作执行装置构成为，在基于所述内燃机的负载而 变化的中负栽用进气阀打开正时打开所述进气阀，在基于所述内燃机的负时关闭所述进气阀，并且在吸入所述燃烧室内的空气涡流最强的进气冲程料以由此形成所述均质空^/燃料混合物，所述喷射正时在所述中负栽用进 气阀打开正时和所述中负栽用进气阀关闭正时之间；以及所述扩散燃烧工作执行装置构成为，在基于所述内燃机的负栽而变化 的高负栽用进气阀打开正时打开所述进气阀，在基于所述内燃机的负栽而 变化并且早于所述中负载用进气阀关闭正时的高负栽用进气阀关闭正时关 闭所述进气阀，并且在晚于所述高负栽用进气阀关闭正时且接近压缩上死 点的喷射正时从所述燃料喷射装置喷射所迷燃料.
3.根据权利要求2所述的内燃机，其中 所述活塞具有在所述活塞顶面的中央部分形成的空腔；以及 所述燃料喷射装置构成为向所述空腔喷射所述燃料； 所述内燃M包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃 机在负载小于所述轻负载区域的极轻负栽区域工作时，所述分层充料自动阀打开正时打开所述进气阀；在基于所述内燃机的负栽而变化的极轻负载 用进气阀关闭正时关闭所述进气阀；在压缩冲程的中期阶段内的喷射正时 从所述燃料喷射装置喷射所述燃料以由此将所述喷射的燃料实质地滞留在 所述空腔内，并且形成和压缩所述空腔内的均质空气/燃料混合物以由此开 始所述燃料的自动点火燃烧，所述喷射正时在所述极轻负载用进气阀关闭 正时之后并且在压缩上死点之前。
4.根据权利要求2或3所述的内燃机，还包括 用于检测气缸压力的气缸压力检测装置，所述气缸压力是所述燃烧室 内的压力；以及工作切换装置，在由所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置 执行所述自动点火燃烧工作的期间，所述工作切换装置通过将在从与单次装置检测到的气釭压力求平均值而获得气缸压力平均值，并且通过将与多 次过去的燃烧相关的气缸压力平均值求平均值而获得平均气缸压力平均 值，并且当与当前燃烧相关的气缸压力平均值与所述平均气缸压力平均值 之差的绝对值大于预定值时，所述工作切换装置切换工作从而由所述分层 充料自动点火燃烧工作执行装置执行所述自动点火燃烧工作，
5. 根据权利要求2或3所述的内燃机，还包括用于检测气釭压力的气缸压力检测装置，所述气缸压力是所述燃烧室 内的压力；以及工作切换装置，在由所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置 执行所述自动点火燃烧工作的期间，所述工作切换装置基于所述检测到的 气缸压力获得气釭压力变化率，所述气缸压力变化率是每单位时间或单位 曲柄转角的气缸压力的变化量，并且当所述获得的气缸压力变化率超过预 定变化率时，所述工作切换装置切换工作从而由所述火花点火燃烧工作执 行装置执行所述火花点火燃烧工作。
6. 根据权利要求2或3所述的内燃机，还包括 用于检测敲缸的敲缸检测装置；以及工作切换装置，在由所述火花点火燃烧工作执行装置执行所述火花点 火燃烧工作的期间，所述工作切换装置基于所述检测到的敲缸获得敲缸发生频率，并且当所述获得的敲缸发生频率超过预定频率时，所述工作切换
7.根据权利要求3所述的内燃机，其中所述空腔具有底部闭合并且大致为圆筒形的形状，并且形成为使得作 为所述空腔的入口的边缘部分的直径小于所述空腔的内部的最大直径并使流导向槽。
8.根据权利要求3所述的内燃机，其中所述火花产生装置是火花塞，所述火花塞配置成使得其用于产生所述 点火用火花的火花产生部分位于所述空腔的内周部分；所述内燃机还包括起动/冷态时分层充料火花点火燃烧工作执行装置， 当所述内燃机在起动和/或处于冷态M时，所i^动/冷态时分层充料火花进气阀，在预定的起动/冷态时用进气阀关闭正时关闭所述进气阀，在压缩了在所述空腔内形成分层空气/燃料混合物而将所述喷射的燃料实质地滞 留在所述空腔内，并且通过由所述火花产生装置产生的点火用火花点燃所 述分层空^/燃料混合物以由此开始所述燃料的火花点火燃烧，所述喷射正 时晚于所^fe动/冷态时用进气阀关闭正时并且在压缩上死点之前.
9.根据权利要求8所述的内燃机，其中所述空腔具有底部闭合并且大致为囷筒形的形状，并且形成为使得作 为所述空腔的入口的边缘部分的直径小于所述空腔的内部的最大直径并使流导向槽；以及所述火花塞沿所述涡流导向槽配置。
10. 根据权利要求3、 7、 8和9中任一项所述的内燃机，其中 在所述空腔的壁表面上形成有绝热层。
11. 根据权利要求2所述的内燃机，还包括增压器，其中所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火 燃烧工作执行装置以及所述扩散燃烧工作执行装置每个都构成为使得在所 迷进气阀打开之前关闭排气阀，由此产生作为从所述排气阀的关闭正时至 所述进气阀的打开正时的时间段的负重叠时间段，并且使得以随着所述内 燃机的负载增加而缩短所述负重叠时间段的方式控制所述排气阀的关闭正 时以及所述进气阀的打开正时。
12.根据权利要求3所述的内燃机，还包括增压器， 其中所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置、所述预混合充料压缩 自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧工作执行装置以及所述扩间段的负重叠时间段，并且使得以随着所述内燃机的负栽增加而缩短所述 时' '''' … '
13.根据权利要求3所述的内燃机，其中所述燃料喷射装置构成为在第一喷射状态或在第二喷射状态喷射所述 燃料，在所述第一喷射状态所述燃料以窄喷射角度喷射出，在所述第二喷射出；所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置构成为在所述第一喷射状态 从所述燃料喷射装置喷射所述燃料；以及所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧 工作执行装置以及所述扩散燃烧工作执行装置每个都构成为在所述第二喷 射状态从所述燃料喷射装置喷射所述燃料。
14.根据权利要求13所述的内燃机，其中所述燃料喷射装置是具有一组窄角度喷射孔和一组宽角度喷射孔的燃 料喷射阀，所述窄角度喷射孔在所述燃料喷射阀的针阀处于低提升状态和 高提升状态之中的任一状态时被打开以进行燃料喷射，所述宽角度喷射孔仅在所述针阀处于高提升状态时被打开以进行燃料喷射；所述分层充料自动点火燃烧工作执行装置构成为通过使所述针阀处于所述低提升状态而在所迷第一喷射状态喷射所述燃料；以及所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置、所述火花点火燃烧 阀处于所述高提升状态而在所述第二喷射状态喷射所述燃料。
15.根据权利要求14所述的内燃机，其中喷射孔的数量，并且使得所述宽角度喷射孔的直径小于所述窄角度喷射孔 的直径；所述内燃机还包括燃料喷射压力调节装置，所述燃料喷射压力调节装料的压力。
16.根据权利要求1所述的内燃机，所述内燃^成为执行2循环工 作，其中每隔360度的曲柄转角，当所述燃烧室与构成为在所述燃烧室内 产生进气涡流的进气口之间的连通被切断时，通过建立所述燃烧室与排气 口之间的连通开始排气冲程；然后，通过建立所述燃烧室与所述进气口之 间的连通开始扫气沖程；然后，通过切断所述燃烧室与所述排气口之间的 连通开始进气冲程；然后，通过切断所述燃烧室与所述进气口之间的连通 开始压缩冲程；并且随后，开始燃烧冲程；所述内燃^UE包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃 机在负栽小于所述轻负栽区域的极轻负栽区域工作时，所述分层充料自动内，料的自动点火燃烧；其中所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置构成为在从所述 燃烧室与所述进气口之间的连通的建立至所述连通的切断的时间段期间在 吸入所述燃烧室的空气的涡流最强的喷射正时从所述燃料喷射装置喷射所述燃料以由此形成所述均质空气/燃料混合物；并且所述扩散燃烧工作执行装置构成为在所述压缩沖程期间接近上死点的 喷射正时从所述燃料喷射装置喷射所述燃料以由此开始所述燃料的扩散燃 烧，并且在假定在所述扩散燃烧工作被实际执行的所述高负载区中执行火述进气口之间连通的正时之前的正时切断所述燃烧室与所述进气口之间的 连通。
17.根据权利要求1所述的内燃机，所述内燃^成为执行2循环工 作，其中每隔360度的曲柄转角，当所述燃烧室与构成为在所述燃烧室内 产生进气涡流的进气口之间的连通被切断时，通过建立所述燃烧室与排气 口之间的连通开始排气冲程；然后，通过建立所述燃烧室与所述进气口之 间的连通开始扫气冲程；然后，通过切断所述燃烧室与所述排气口之间的 连通并且切断所述燃烧室与所述进气口之间的连通开始压缩冲程；并且随 后，开始燃烧冲程；所述内燃^iE包括分层充料自动点火燃烧工作执行装置，当所述内燃 机在负载小于所述轻负栽区域的极轻负载区域工作时，所述分层充料自动在所述空腔内，并XH缩在所述空腔内形成的均质空^燃料混合物以由此 开始所述燃料的自动点火燃烧；以及用于压缩通过所述进气口流入所述燃烧室的空气的增压器； 其中所述活塞具有在所述活塞顶面的中央部分形成的空腔； 所述燃料喷射装置是配置在所述气缸盖的下表面和所述气缸的孔的实 质中央部分并且适于向所述空腔喷射所述燃料的燃料喷射阀；所述排气口构成为使得所述排气口的一端在所述气缸盖的下表面并且 在所述燃料喷射阀的周围形成开口部分，使得通过配置在所述开口部分处 的排气阀打开所述开口部分而建立所述排气口与所述燃烧室之间的连通， 并且使得通过所述排气岡关闭所述开口部分而切断所述排气口与所述燃烧室之间的连通；所述进气口构成为使得所述进气口的一端在所述气缸的孔壁表面形成 开口部分，使得在所述活塞从上死点向下死点的移动过程中通过所述活塞 的侧壁打开所述开口部分而建立所述进气口与所述燃烧室之间的连通，并 且使得在所述活塞从所述下死点向所述上死点的移动过程中通过所述活塞 的侧壁关闭所述开口部分而切断所述进气口与所述燃烧室之间的连通；所述预混合充料压缩自动点火燃烧工作执行装置构成为在早于所述极以由此形成所述均质空^l/燃料混合物；以及所述扩散燃烧工作执行装置构成为在所述压缩冲程期间的高负载用喷烧，所述高负栽用喷射正时晚于所述极轻负栽用喷射正时并且接近所述上 死点。
全文摘要
本发明涉及一种内燃机(10)，其具有用于喷射汽油燃料到燃烧室(25)内的燃料喷射阀(37)并且具有火花塞(35)。当内燃机在低负载区域工作时，执行预混合压缩自动点火燃烧工作，在该工作中燃料在进气冲程的早期阶段和/或中期阶段喷射出，并且在形成均质混合气的同时，进行压缩以使燃料自动点火燃烧。当内燃机在中负载区域工作时，执行火花点火燃烧工作。当内燃机在高负载区域工作时，执行扩散燃烧工作，在该扩散燃烧工作中吸入燃烧室的空气被压缩并且燃料被喷射到压缩空气中以使燃料执行扩散燃烧。
文档编号F02D43/00GK101128656SQ20068000610
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月22日 优先权日2005年2月24日
发明者小林辰夫 申请人:丰田自动车株式会社