内燃机的制作方法

专利名称：内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及进行预混合压燃燃烧的内燃机。
背景技术：
日本专利局于2004年公布的JP 2004-036538A公开了一种内燃 机，该内燃机使空气燃料混合物经历压燃燃烧(自燃燃烧)。
根据现有技术的内燃机在燃烧室内形成均质空气燃料混合物。 然后，在压縮行程的上止点附近，内燃机喷射氢气以在火花塞周围形 成氢气空气混合物，其中氢气具有相对较高的辛烷值并且不易自燃。 通过火花塞使氢气空气混合物发生火花塞点火燃烧，由于氢气空气混 合物的燃烧膨胀，导致未燃区域内的均质空气燃料混合物被压縮，从 而发生自燃燃烧。

发明内容
在根据现有技术的内燃机中，氢气局部地分布在火花塞周围附 近。因此，就会发生与排放有关的下述问题。
因为必须通过火花塞可靠地点火，所以氢气空气混合物的稀薄 度是受到限制的。相应地，氢气空气混合物的氢气浓度设置得相对较 高，以实现高温燃烧。结果，在氢气空气混合物的燃烧过程中，不可 避免地产生了氮的氧化物(NOx)。此外，未燃区域内的均质空气燃 料混合物由于氢气空气混合物的燃烧膨胀而受到压縮，以便从点火点 的位置顺序自燃。因此，不能使均质空气燃料混合物在整个燃烧室内 同时自燃。特别是在发动机低负荷运行期间，在气缸壁面附近不能产 生自燃，因此未燃燃料的排出量增加。
因此，本发明的目的是提供一种内燃机，该内燃机能够减少排 放，同时通过自燃燃烧实现高的热效率。
为实现该目的，本发明提供了一种内燃机，包括燃料喷射阀， 其供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃烧速度比汽油高的第二燃料， 从而在燃烧室内形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物；火 花塞，其点燃空气燃料混合物；可编程控制器，其被编程为控制第一 燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰
传播燃烧，然后经历自燃燃烧。
在后面的说明书和附图中描述并展示了本发明的细节以及其它 特征和优点。


图1是根据本发明的内燃机的示意图。
图2是示出由根据本发明的控制器执行的燃料喷射控制程序的 流程图。
图3是示出由根据本发明的控制器存储的发动机运转状态图的 内容的简图。
图4是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序供给到内燃 机的正链烷烃、氢气和汽油的发热量之比的简图。
图5是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序的、发动机 负荷与空气燃料混合物的过量空气系数之间的关系的简图。
图6是通过把图4的简图转换成正链烷烃、氢气和汽油的燃料
喷射量所获得的简图。
图7是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序供给到冷机 状态内燃机的正链烷烃、氢气和汽油的发热量之比的简图。
图8是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序的、在冷机 状态内燃机中发动机负荷与空气燃料混合物的过量空气系数之间的 关系的简图。
图9是根据本发明第二实施例的内燃机的示意图。 图IO是示出由根据本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射 控制程序的流程图。
图ll是示出根据由本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射
控制程序供给到内燃机的正链烷烃和汽油的发热量之比的简图。
图12是示出根据由本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射
控制程序的、发动机负荷与空气燃料混合物的过量空气系数之间的关 系的简图。
图13是通过把图11的简图转换成正链烷烃和汽油的燃料喷射 量所获得的简图。
图14是示出根据由本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射 控制程序供给到内燃机的氢气的燃料喷射量的简图。
图15是根据本发明第三实施例的内燃机的示意图。
图16是示出由根据本发明第三实施例的控制器执行的燃料喷射 量修正控制程序的流程图。
图17A和17B是在抑制不点火的控制中由根据本发明第三实施 例的控制器执行的各个燃料喷射量的修正控制程序的流程图。
图18A和18B是在抑制爆震的控制中由根据本发明第三实施例 的控制器执行的各个燃料喷射量的修正控制程序的流程图。
图19是示出由根据本发明第三实施例的控制器执行的、内燃机 进气阀的关闭定时的可选控制的简图。
图20是示出由根据本发明第三实施例的控制器执行的、内燃机 压縮比的可选控制的简图。
具体实施例方式
下面参考图1至图6描述本发明的第一实施例。
参考图1，用于车辆的内燃机IOO包括气缸体11和设置在气缸
体11上侧的气缸盖12。
容纳活塞13的气缸19形成在气缸体11内。燃烧室14由气缸
19的壁面、活塞13的顶面和气缸盖12的下表面形成。当空气燃料
混合物在燃烧室14内燃料时，活塞13受到燃烧压力的作用并在气缸
19内往复运动。
在气缸盖12内形成有进气口 15A，该进气口与进气通道15连通 并通向燃烧室14的一侧。进气阀16设置在进气口 15A内。当进气阀
16打开时，空气通过进气口 15A被吸入燃烧室14，其中，已经通过 空气滤清器从吸入的空气中除去灰尘颗粒等。
在气缸盖12内形成有排气口 17A，该排气口与排气通道17连通 并通向燃烧室14的另一侧。排气阀18设置在排气口 17A内。当排气 阀18打开时，燃烧后的废气通过排气口 17A从燃烧室14排出。
进气阀16和排气阀18由各自的阀驱动机构161、 181打开和关 闭。阀驱动机构161、 181由凸轮轴构成，该凸轮轴相对于内燃机100 的曲轴具有固定的角度相位。
燃料喷射阀21设置在气缸盖12中，靠近气缸中心。火花塞25 设置在气缸盖12中，与燃料喷射阀21相邻。在内燃机100中，除了 燃料喷射阀21外，还另外提供了两个燃料喷射阀22、 23作为燃料供 给装置。燃料喷射阀22、 23都设置在气缸盖12内，以便向进气口 15A内喷射燃料。
向各个燃料喷射阀21-23供给具有不同性质的燃料。具有高自 燃性的正链烷烃作为第一燃料供给到燃料喷射阀22，该燃料喷射阀 22设置在离燃烧室14最远的位置。具有高燃烧速度的氢气作为第二 燃料供给到燃料喷射阀23，该燃料喷射阀23设置在比燃料喷射阔22 更接近燃烧室14的位置。具有高辛垸值的汽油作为第三燃料供给到 燃料喷射阀21,该燃料喷射阀21设置在气缸盖12的中心位置。
氢气具有最高的燃烧速度，而汽油和正链烷烃的燃烧速度大致 相等。燃料的自燃性按照正链烷烃、汽油和氢气的顺序降低。
正链烷烃和氢气都是利用汽油作为原料获得的。汽油存储在燃 料箱31中。燃料箱31设置有低压燃料泵32。燃料箱31中的汽油被 低压燃料泵32泵送并供给到燃料分离器33。
在燃料分离器33中，包含在汽油中的正链烷烃被膜分离。分离 的正链烷烃被供给到燃料重整机构34。
燃料重整机构34由利用催化剂通过脱氢反应从正链垸烃中提取 氢的装置构成。在供给到燃料重整机构34的正链烷烃中， 一部分用 于脱氢反应，其余部分供给到燃料喷射阀22。在燃料重整机构34中， 氢从一部分供给的正链烷烃中分离出来，并被提取为氢气。氢气通过
气泵35供给到燃料喷射阀23。在脱氢反应中使用的正链烷烃在氢从
其中分离出去之后，转换成由芳香组分代表的低自燃性燃料。芳香组
分返回到燃料分离器33。芳香组分和在正链烷烃被膜分离之后剩下 的汽油一起被高压燃料泵36供给到燃料喷射阀21。
燃料喷射阀21-23的喷射量和喷射定时、以及火花塞25的点火 定时由控制器41控制。控制器41由具有中央处理单元(CPU)、只 读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、以及输入/输出接口 (I/O 接口)的微型计算机构成。
控制器基于从加速踏板下压传感器51、曲轴转角传感器52和水 温传感器53输入的信号执行上述控制，其中，加速踏板下压传感器 51检测设置在车辆内的加速踏板的下压量，曲轴转角传感器52在内 燃机100的预定曲轴转角间隔产生曲轴转角信号，水温传感器53检 测内燃机100的冷却水温度。
下面参考图2描述控制器41的操作。图2是示出控制器41执 行的燃料喷射控制程序的流程图。在内燃机IOO运行期间，以固定的 间隔(例如IO毫秒)重复地执行该程序。
在步骤SIOI,控制器41读取加速踏板下压量APO、发动机转速 Ne、冷却水温度Tw作为发动机运转状态。来自曲轴转角传感器52 的曲轴转角信号用作表示内燃机100的发动机转速Ne的信号。加速 踏板下压量APO用作表示内燃机100的发动机负荷Ld的信号。
在步骤S102，控制器41确定发动机运转状态所属的区域。通过 参考例如图3中所示的运转区域图来执行上述确定。该运转区域图是 基于试验结果等预先生成的，并存储在控制器41的R0M中。
当发动机运转状态处于低负荷/低转速区域A中时，利用三个燃 料喷射阀21-23在燃烧室14中形成稀薄的均质空气燃料混合物。为 形成均质空气燃料混合物，燃料喷射阀21在进气冲程中喷射汽油， 燃料喷射阀22、 23在排气冲程中分别喷射正链垸烃和氢气。相反地， 当发动机运转状态处于高负荷或高转速区域B中时，不驱动燃料喷射 阀22、 23。通过在进气冲程中仅驱动燃料喷射阀21以向燃烧室14 内直接喷射汽油，来在燃烧室14内形成具有化学计量空燃比的均质
空气燃料混合物。
参考图2，在步骤S103，控制器41根据发动机运转状态计算将
要由燃料喷射阀22喷射的正链垸烃喷射量Qfl。当发动机运转状态 处于区域B中时，停止除供给汽油的燃料喷射阀21以外的燃料喷射 阀22、 23的操作，从而将正链垸烃喷射量Qfl设置为零。
在步骤S104，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷 射阀23喷射的氢气喷射量Qf2。当发动机运转状态处于区域B中时， 出于和步骤S103中相同的原因，氢气喷射量Qf2被设置为零。
在步骤S105，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷 射阀21喷射的汽油喷射量Qf3。
在步骤S106,控制器41在排气冲程或进气冲程内以预定定时驱 动燃料喷射阀22，以便以喷射量Qfl将正链垸烃喷射到进气口 15A 内。
在步骤S107，控制器41在排气冲程或进气冲程内以预定定时驱 动燃料喷射阀23，以便以喷射量Qf2将氢气喷射到进气口 15A内。
在步骤S108，控制器41在进气冲程内以预定定时驱动燃料喷射 阀21，以便以喷射量Qf3将汽油喷射到燃烧室14内。
下面参考图4至图6描述在低负荷/低转速区域A中在燃烧室14 中形成的均质空气燃料混合物。
图4示出在根据控制器41执行的燃料喷射控制程序供给到燃烧 室14的总燃料喷射量Qtotal中的正链烷烃、氢气和汽油各自的发热 量之比(供给比例)Ffrac。图5示出了发动机负荷Ld与全部空气燃 料混合物的过量空气系数Lamd之间的关系。
参考图5，随着发动机负荷Ld降低，控制器41增加过量空气系 数Lamd，使得在燃烧室14中形成更稀薄的均质空气燃料混合物。对 于各燃料的供给比例Ffrac，如图4所示，随着发动机负荷Ld降低， 正链垸烃和氢气的比例增加，而汽油的比例减小。
当发动机负荷Ld为低负荷Ldl时，确定总燃料喷射量以使过量 空气系数Umd达到3。在这种情况下，氢气的供给比例Ffrac设置 为O. 4，正链烷烃的供给比例Ffrac设置为0. 6。另一方面，当发动
机负荷Ld是高负荷Ld2时，确定总燃料喷射量以使过量空气系数Lamd达到2。在这种情况下，氢气的供给比例Ffrac设置为0. 3，正 链垸烃的供给比例Ffrac设置为0. 21，汽油的供给比例Ffrac设置 为0. 49。
图6示出了将图4所示各燃料的供给比例Ffrac转换成与发热 量相关的燃料喷射量Qf。
过量空气系数Lamd随着发动机负荷Ld降低而增加，因此，如 图6所示，总燃料喷射量Qtotal随着发动机负荷Ld降低而减少。但 是，正链烷烃和氢气的供给比例随着发动机负荷Ld的降低而增加， 因此，正链垸烃和氢气各自的喷射量Qfl、 Qf2随着发动机负荷Ld 的降低而增加。通过在区域A中调整具有不同燃烧特性的三种燃料的 供给比例，可以调整空气燃料混合物的自燃性和燃烧速度，同时保持 整体的燃料浓度，或者换句话说，保持发动机的输出，从而可以实现 具有所需特性的燃烧。
参考图6，随着发动机负荷Ld的增加，控制器41减少正链烷烃 喷射量Qfl，从而抑制了爆震。此外，当发动机负荷Ld增加时，总 燃料喷射量Qtotal也增加，从而可以与氢气无关地稳定点火。相应 地，氢气喷射量Qf2随着发射机负荷Ld的增加而减少。因此，在区 域A中，随着发动机负荷Ld增加，燃烧从促进自燃燃烧的燃烧模式 逐渐转移到火花塞点火燃烧。
在内燃机100中，在燃烧室14中形成的空气燃料混合物以下面 所述的方式燃烧。
当发动机运转状态处于低负荷/低转速区域A中时，高自燃性的 正链烷烃和高燃烧速度的氢气与汽油一起在整个燃烧室14内扩散， 以形成稀薄的均质空气燃料混合物。该均质空气燃料混合物具有高自 燃性和高燃烧速度。当均质空气燃料混合物由火花塞25点火时，虽 然均质空气燃料混合物处于稀薄状态，但由于高燃烧速度的氢气的作 用，该均质空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，并且火焰扩展到燃烧 室14内的空气燃料混合物。在火焰传播燃烧期间，空气燃料混合物 的未燃部分由于燃烧膨胀而被压縮，并且由于高自燃性的正链烷烃的
作用，未燃的空气燃料混合物实现自燃燃烧。因此，在内燃机100 中，燃烧室14中的均质空气燃料混合物在燃烧的前半部分经历火焰 传播燃烧，在燃烧的后半部分经历自燃燃烧。
另一方面，当发动机运转状态处于高负荷或高转速区域B中时，
喷射汽油以获得化学计量空燃比，由此在燃烧室14中形成均质空气 燃料混合物。该均质空气燃料混合物由火花塞25点火，并经历火焰 传播燃烧。
上述内燃机100可获得如下有益效果。
在内燃机100中，调节高自燃性的正链烷烃和高燃烧速度的氢 气的供给比例，以使被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然 后经历自燃燃烧，从而在燃烧室14内形成包含正链烷烃和氢气的均 质空气燃料混合物。因此，燃烧室14中的均质空气燃料混合物由于 氢气的作用而在燃烧的前半部分经历火焰传播燃烧，并且由于正链垸 烃的作用而在燃烧的后半部分经历自燃燃烧。通过正链烷烃促进空气 燃料混合物的自燃燃烧，因此，即使在低负荷状态下也能实现稳定的 自燃燃烧。结果，实现了高的热效率。
此外，稀薄的均质空气燃料混合物由火花塞25点火，但是，由 于氢气的燃烧速度比汽油高，所以，由于氢气的作用，空气燃料混合 物的燃烧不会出现不点火的现象。因此，可以抑制排放的恶化，而不 用象现有技术中那样形成具有高燃料浓度的空气燃料混合物并使该 空气燃料混合物自燃。
另外，由于高燃烧速度的氢气的作用，正在燃烧的空气燃料混 合物的火焰在整个燃烧室14内快速扩展。因此，在整个燃烧室14 内(包括燃烧室14的壁面附近的区域)，可以快速获得通过燃烧膨 胀而产生的压縮作用。结果，可以使整个燃烧室14内的空气燃料混 合物经历自燃燃烧，并且可以减少排出的未燃燃料。
在本实施例中，应该注意，可以根据冷却水温度Tw改变正链烷 烃和氢气在总燃料喷射量Qtotal中的供给比例Ffrac。如图4中的 双点划线所示，与发动机完成暖机的情况(由实线表示)相比，在冷 却水温度T w低的冷机期间，正链垸烃和氢气的供给比例F f r a c增加。
由于这种调节，可以与发动机的暖机条件无关地维持空气燃料混合物 的燃烧速度和自燃性，从而可以稳定燃烧。
参考图7，各燃料的供给比例Ffrac不必随着发动机负荷Ld的 降低而线性增加，而是可以以二次函数形式增加。随着发动机负荷 Ld降低，可以通过加大相对于发动机负荷Ld的变化率来增加正链垸 烃和氢气各自的供给比例。在这种情况下，如图8所示，过量空气系 数Laind同样随着发动机负荷Ld的降低而增加。
下面参考图9到图14描述本发明的第二实施例。 根据该实施例的内燃机IOO与第一实施例的区别在于燃烧室、 燃料系统的构成以及对它们的控制。内燃机100的其它部分与在第一 实施例中的对应部分相同。
参考图9，内燃机100包括主燃烧室141和固定容积的辅助燃烧 室142，其中，主燃烧室141由气缸19的壁面、气缸盖12和活塞13 限定，辅助燃烧室142与主燃烧室141分开并通过喷射孔142A连接 在主燃烧室141上。当辅助燃烧室142内的空气燃料混合物燃料时， 辅助燃烧室142形成通过每个喷射孔142A向主燃烧室141喷出的火 炬。
内燃机IOO包括作为燃料供给装置的燃料喷射阅21-23。燃料喷 射阀23布置在气缸盖12中，位于气缸中心附近。燃料喷射阀23向 辅助燃烧室142中喷射具有高燃烧速度的氢气。燃料喷射阀21、 22 都布置在气缸盖12中，以便向进气通道15的进气口 15A中喷射燃料。 燃料喷射阀21喷射具有高辛垸值的汽油。燃料喷射阀22喷射具有高 自燃性的正链垸烃。
下面参考图10描述由本实施例的控制器41执行的燃料喷射控 制程序。控制器41执行该控制程序以代替图2所示的控制程序。
在步骤S201中，控制器41读取加速踏板下压量APO、发动机转 速Ne、以及冷却水温度Tw作为发动机运转状态。
在步骤S202，控制器41通过参考图3所示的运转区域图确定发 动机运转状态所属的区域。
当发动机运转状态处于图3的低负荷/低转速区域A中时，利用 燃料喷射阀21、 22在主燃烧室141中形成包含汽油和正链垸烃的稀 薄的均质空气燃料混合物，并且通过燃料喷射阀23将氢气喷射到辅 助燃烧室142中。在压縮冲程中，随着活塞13上升，在主燃烧室141 中形成的稀薄的均质空气燃料混合物流入辅助燃烧室142，因此，在 辅助燃烧室142中形成包含正链垸烃、汽油和氢气的空气燃料混合 物。另一方面，当发动机运转状态处于高负荷或高转速区域B中时， 仅利用燃料喷射阀21在主燃烧室141中形成具有化学计量空燃比的 均质空气燃料混合物。
在步骤S203,控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷 射阀22喷射的正链垸烃喷射量Qf4。当发动机运转状态处于区域B 中时，喷射量Qf4设置为零。
在步骤S204，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷 射阀23喷射的氢气喷射量Qf5。当发动机运转状态处于区域B中时， 喷射量Qf5设置为零。
在步骤S205,控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷 射阀21喷射的汽油喷射量Qf6。
在步骤S206，控制器41在排气冲程或进气冲程以预定定时驱动 燃料喷射阀22，使得以喷射量Qf4将正链烷烃喷射到进气口 15A内。
在步骤S207，控制器41在压縮冲程中的预定定时驱动燃料喷射 阀23，使得以喷射量Qf5将氢气喷射到辅助燃烧室142内。
在步骤S208，控制器41在排气冲程或进气冲程以预定定时驱动 燃料喷射阀21，使得以喷射量Qf6将汽油喷射到进气口 15A内。
下面参考图11到图13描述在低负荷/低转速区域A中在主燃烧 室141中形成的均质空气燃料混合物。另外，参考图14描述喷射到 辅助燃烧室142中的氢气。
图11示出在根据控制器41执行的燃料喷射控制程序供给到主 燃烧室141的总燃料喷射量Qtotal中的正链烷烃和汽油各自的发热 量之比(供给比例)Ffrac。在本实施例中，由于氢气喷射到与主燃 烧室141分开的辅助燃烧室142中，因此，从总燃料喷射量Qtotal 中排除了氢气。图12示出了发动机负荷Ld与全部空气燃料混合物的
过量空气系数Lamd之间的关系。
参考图12，随着发动机负荷Ld降低，控制器41增加过量空气 系数Lamd。结果，以稀薄的均质空气燃料混合物进行燃烧。对于该 空气燃料混合物，如图ll所示，正链烷烃的供给比例Ffrac随着发 动机负荷Ld降低而增加。相反地，汽油的供给比例Ffrac随着发动 机负荷Ld的降低而减少。
在发动机负荷是低负荷Ldl时，控制器41确定总燃料喷射量， 使得过量空气系数Larad达到3。在这种情况下，正链垸烃的供给比 例Ffrac设置为1.0，并且汽油的供给比例Ffrac设置为零。另一方 面，当发动机负荷Ld是高负荷Ld2时，控制器41确定总燃料喷射量， 使得过量空气系数Lamd达到2。在这种情况下，正链烷烃的供给比 例设置为O. 3，汽油的供给比例设置为0. 7。
图13示出了将图11所示各燃料的供给比例Ffrac转换成与发
热量相关的燃料喷射量Qf。
过量空气系数Lamd随着发动机负荷Ld降低而增加，因此，如 图13所示，总燃料喷射量Qtotal随着发动机负荷Ld降低而减少。 但是，控制器41相对于发动机负荷Ld的降低而增加正链烷烃的比例， 因此，正链烷烃喷射量Qf4随着发动机负荷Ld降低而增加。因此， 对于在主燃烧室141中形成的均质空气燃料混合物，可以调节通过正 链烷烃的作用而获得的自燃性。
参考图14，根据发动机负荷Ld调节喷射到辅助燃烧室142中的 氢气喷射量Qf5。氢气喷射量Qf5随着发动机负荷Ld降低而增加。 通过氢气的作用，可以调节在辅助燃烧室142中形成的空气燃料混合 物的燃烧速度。
在内燃机100中，在主燃烧室141中形成的空气燃料混合物以
下述方式进行燃烧。
当发动机运转状态处于区域A中时，高自燃性的正链垸烃和汽
油一起在整个主燃烧室141内扩散，以形成均质空气燃料混合物。在 压縮冲程中，随着活塞13上升，主燃烧室141中的空气燃料混合物 通过喷射孔142A流入辅助燃烧室142。从主燃烧室141流入辅助燃
烧室142的空气燃料混合物是稀薄的。由于高燃烧速度的氢气供给到
辅助燃烧室142中，所以确保了辅助燃烧室142中的空气燃料混合物 的可燃性。当辅助燃烧室142中的空气燃料混合物被火花塞25点火 时，即使从主燃烧室141流入辅助燃烧室142中的空气燃料混合物是 稀薄的，但由于氢气的作用，辅助燃烧室142中的空气燃料混合物也 经历火焰传播燃烧。由于这种燃烧，形成了通过每个喷射孔142A向 主燃烧室141喷出的火炬。由于高燃烧速度的氢气的作用，火炬在整 个主燃烧室141中快速扩展。调节高自燃性的正链垸烃和高燃烧速度 的氢气的供给比例，使得通过火炬导致主燃烧室141中的空气燃料混 合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。因此，主燃烧室141 中的空气燃料混合物由火炬点火以经历火焰传播燃烧，然后由于燃烧 膨胀而经过自燃燃烧。
当发动机运转状态处于区域B中时，以对应于化学计量空燃比 的量喷射汽油，由此在主燃烧室141中形成具有化学计量空燃比的均 质空气燃料混合物。在压縮冲程中，该均质空气燃料混合物的一部分 通过每个喷射孔142A流入辅助燃烧室142。当辅助燃烧室142中的 空气燃料混合物由火花塞25点火时，辅助燃烧室142中的空气燃料 混合物经历火焰传播燃烧。火炬通过每个喷射孔142A喷射到主燃烧 室141中。由于该火炬，主燃烧室141中的空气燃料混合物经历火焰 传播燃烧。
根据第二实施例的上述内燃机IOO可获得如下有益效果。 在内燃机100中，在主燃烧室141中形成的均质空气燃料混合 物由火炬点火。通过正链烷烃的作用促进该空气燃料混合物的自燃 性，因此，可实现稳定的自燃燃烧，由此可获得与第一实施例类似的 有益效果。
此外，正链垸烃是具有高自燃性的燃料，因此，不需要形成强 大的火炬以使主燃烧室141中的空气燃料混合物经历自燃燃烧。因 此，可以抑制火炬在主燃烧室141的内部导致的扰动，并且可以避免 由于冷却损失而造成的热效率下降。
另外，通过向辅助燃烧室U2供给具有高燃烧速度的氢气，可
以改善辅助燃烧室142中的空气燃料混合物的可燃性，使得可以实现
更加稳定的燃烧。氢气喷射量Qf5随着发动机负荷Ld的降低而增加， 因此，可以与发动机负荷Ld无关地维持辅助燃烧室142中的空气燃 料混合物的可燃性。因此，可以稳定地使主燃烧室141中的空气燃料 混合物经历自燃燃烧。
与第一实施例类似，可以根据冷却水温度Tw改变正链垸烃在总 燃料喷射量Qtotal中的供给比例Ffrac。如图11中的双点划线所示， 与发动机完成暖机的情况(用实线表示)相比，在冷却水温度Tw低 的冷机期间，正链院烃的供给比例增加。
如图14中的双点划线所示，在冷机期间，在改变正链垸烃的供 给比例的同时或者代替改变正链垸烃的供给比例，相对于实线所示的 情况增加氢气供给比例Qf5。
下面参考图15、 16、 17A和17B、 18A和18B描述本发明的第三 实施例。
根据该实施例的内燃机100与第一实施例的内燃机基本相同， 区别在于控制器41执行燃料喷射控制，使得在低负荷/低转速区域A 中的燃烧更加稳定。更具体地，根据空气燃料混合物的燃烧状态修正 各燃料的喷射量，下面的描述将集中于这一点。
参考图15，内燃机100包括气缸压力传感器54和爆震水平传感 器55。
设置在气缸体11中的气缸压力传感器54检测燃烧室14的内部 压力。来自气缸压力传感器54的检测信号输入控制器41。
爆震水平传感器55设置在气缸体11内，用于检测在发动机主 体中产生的振动。来自爆震水平传感器55的检测信号输入控制器41。
基于来自气缸压力传感器54和爆震水平传感器55的检测信号， 控制器41确定在低负荷/低转速区域A中空气燃料混合物的燃烧状 态。控制器41根据燃烧状态修正各燃料的喷射量Qfl-Qf3。
下面参考图16、 17A和17B、 18A和18B描述在区域A中由控制 器41执行的燃料喷射量修正控制程序。
图16是由控制器41执行的燃料喷射量修正控制程序的流程图。
当发动机运转状态处于区域A中时，以固定间隔(例如10毫秒)执 行该程序。
在步骤S301，控制器41读取气缸压力P和爆震水平N作为发动 机运转状态。根据来自气缸压力传感器54的检测信号计算气缸压力 P。根据由爆震水平传感器55检测的振动量计算爆震水平N。计算的 气缸压力P和爆震水平N例如作为时间相关值(波形)存储在控制器 41的R0M中，并且在每一个随后的步骤中，都读取在火焰传播燃烧 期间或自燃燃烧期间的气缸压力P和爆震水平N 。
在步骤S302中，控制器41判断在燃烧室14中的均质空气燃料 混合物的火焰传播燃烧期间的气缸压力PA是否小于基准压力P,。当 气缸压力PA小于基准压力Pi时，则判定在燃烧的前半部分的火焰传 播燃烧期间发生了不点火，程序前进到步骤S303。另一方面，当气 缸压力PA大于或等于基准压力PJ寸，则判定在火焰传播燃烧时没有 发生不点火，程序前进到步骤S304。
应该注意，检测膨胀冲程中的活塞上止点附近的气缸压力作为 火焰传播燃烧期间的气缸压力Pa。
在步骤S303，控制器41执行火焰传播燃烧不点火控制子程序， 以抑制火焰传播燃烧期间的不点火。后面参考图17A描述该火焰传播 燃烧不点火控制子程序。
在步骤S304，控制器41判断在燃烧室14中的空气燃料混合物
的自燃燃烧期间的气缸压力PB是否小于基准压力P2。基准压力P2设 置为比基准压力P,大的值。当气缸压力PB小于基准压力Ps时，判定 在燃烧的后半部分的自燃燃烧期间发生了不点火，程序前进到步骤 S305。另一方面，当气缸压力PB大于或等于基准压力P2时，则判定 在自燃燃烧期间没有发生不点火，程序前进到步骤S306。
应该注意，检测膨胀冲程中的活塞上止点之后15。附近的气缸压 力作为自燃燃烧期间的气缸压力Pb。
在步骤S305，控制器41执行自燃燃烧不点火控制子程序以抑制 自燃燃烧期间的不点火。后面参考图17B描述该自燃燃烧不点火控制 子程序。在步骤S306和步骤S307，控制器41确定爆震产生状态。
在步骤S306，控制器41判断爆震水平N是否小于基准值&。当 爆震水平N小于基准值N,时，则判定没有发生爆震，并终止程序。 另一方面，当爆震水平N大于或等于基准值Ni时，则判定发生了爆 震，程序前进到步骤S307。
在步骤S307，控制器41判断爆震水平N是否小于基准值N2。基 准值&设置为比基准值N:大的值。当爆震水平N小于基准值&时， 则判定发生了微弱爆震，程序前进到步骤S308。另一方面，当爆震 水平N大于或等于基准值&时，则判定发生了比微弱爆震更强烈的 爆震，程序前进到步骤S309。
在步骤S308,控制器41执行微弱爆震控制子程序以抑制微弱爆 震。下面参考图18A描述该微弱爆震控制子程序。
在步骤S309，控制器41执行强烈爆震控制子程序以抑制强烈爆 震。下面参考图18B描述该强烈爆震控制子程序。
下面参考图17A描述火焰传播燃烧不点火控制子程序。
在步骤S331，控制器41通过向正链垸烃喷射量Qfl增加修正值 dQfh来执行增量修正。
在步骤S332，控制器41通过向氢气喷射量Qf2增加修正值dQf2A
来执行增量修正。
在步骤S333,控制器41通过从汽油喷射量Qf3减去修正量dQf3A 来执行减量修正。修正值dQf3A设定为这样的值，即即使对正链烷 烃和氢气进行增量修正之后，该值也能确保在空气燃料混合物燃烧期 间的总发热量不改变。
当在空气燃料混合物燃烧的前半部分的火焰传播燃烧期间发生 不点火时，通过增量修正氢气喷射量来提高空气燃料混合物的燃烧速 度，并且通过增量修正正链烷烃喷射量来提高空气燃料混合物的自燃 性。这样可以稳定火焰传播燃烧，并能更可靠地进行自燃燃烧。
控制器41构造为重复执行步骤S331-S333，直到在步骤S302 中判定火焰传播燃烧期间的不点火被抑制了为止。控制器41可以构 造为根据气缸压力PA的值设置各燃料的修正值dQflA-dQf3A。
下面参考图17B描述自燃燃烧不点火控制子程序。
在步骤S351，控制器41通过向正链烷烃喷射量Qfl增加修正值 dQflB来执行增量修正。
在步骤S352，控制器41通过从汽油喷射量Qf3减去修正值dQf3B 来执行减量修正。修正值dQf3B被设定为这样的值，g卩即使对正链 垸烃喷射量进行增量修正之后，该值也能确保在空气燃料混合物燃烧 期间的总发热量不改变。
当在自燃燃烧期间发生不点火时，通过增量修正正链烷烃喷射 量来提高空气燃料混合物的自燃性，从而可以抑制自燃燃烧期间的不 点火。
控制器41构造为重复执行步骤S351和S352，直到在步骤S304 中判定在自燃燃烧期间的不点火被抑制了为止。控制器41可构造为 根据气缸压力Pe的值设置修正值dQflB、 dQf3B。
当在步骤S307中判定在内燃机100中发生了微弱爆震时，执行 如图18A所示的微弱爆震控制子程序。
在步骤S381，控制器41通过向氢气喷射量Qf2增加修正值dQf 2C
来执行增量修正。
在步骤S382，控制器41通过从汽油喷射量Qf 3减去修正值dQf 3c 来执行减量修正。修正值dQf3c设置为这样的值，即即使对氢气喷 射量进行增量修正之后，该值也能确保在空气燃料混合物燃烧期间的 总发热量不改变。
当发生微弱爆震时，通过增量修正氢气喷射量来提高空气燃料 混合物的燃烧速度。这样可以縮短空气燃料混合物的燃烧时间，以便 能够抑制微弱爆震。
控制器41构造为重复执行步骤S381和S382，直到在步骤S307 中判定微弱爆震被抑制了为止。控制器41可构造为根据爆震水平N 的值设置修正值dQf2c和dQf3c。
另一方面，当判定在内燃机100中发生了强烈爆震时，执行如 图18B所示的强烈爆震控制子程序。
在步骤S391,控制器41通过从正链烷烃喷射量Qf 1减去修正值
dQfl。来执行减量修正。
在步骤S392，控制器41通过向氢气喷射量Qf2增加修正值dQf2。 来执行增量修正。
在步骤S393，控制器41通过从汽油喷射量Qf 3减去修正值dQf 3。 来执行减量修正。修正值dQf3。被设置为这样的值，即即使在对正 链垸烃喷射量进行减量修正并且对氢气喷射量进行增量修正之后，该 值也能够确保在空气燃料混合物燃烧期间的总发热量不变化。
当发生强烈爆震时，通过增量修正氢气喷射量来提高空气燃料 混合物的燃烧速度，并通过减量修正正链垸烃喷射量来降低空气燃料 混合物的自燃性。这样可以抑制空气燃料混合物的自燃，同时縮短空 气燃料混合物的燃烧时间，从而能够抑制强烈爆震。
控制器41构造为重复执行步骤S391-S393，直到在步骤S306 中判定强烈爆震被抑制了为止。控制器41可构造为根据爆震水平N 的值设置各燃料的修正值dQflD-dQf3D。
根据第三实施例的内燃机IOO可以获得如下有益效果。
在内燃机100中，当发动机运转状态处于区域A中时，根据空
气燃料混合物的燃烧状态修正各燃料的喷射量，从而可以稳定空气燃 料混合物的燃烧状态。
2007年8月6日在日本提交的JP2007-204709和2008年4月 16日在日本提交的JP2008-107232的内容通过引用方式并入本文。
尽管参考一些实施例描述了本发明，但本发明不限于上述实施 例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书的范围内可对上述实施 例做出各种修改和变型。
例如，在第一实施例中，正链烷烃和氢气都分别通过燃料喷射 阀22、 23喷射到进气通道15内，但这些燃料可直接喷射到燃烧室 14内。通过将正链垸烃直接喷射到燃烧室14内，可以避免如下情况， 即在所产生的预混合物的点火充分提前之前，空气燃料混合物经历 自燃燃烧。此外，通过将氢气直接喷射到燃烧室14内，可以防止向 进气通道15内回火。
在第二实施例中，通过安装专用部件来形成辅助燃烧室，但可
以在气缸体11或气缸盖12中设置凹进部，从而通过该凹进部形成辅
助燃烧室142。
在第三实施例中，基于来自爆震水平传感器55的检测值判定爆 震，但是也可根据来自气缸压力传感器54的检测值判定爆震。在这 种情况下，当爆震特有的频段的气缸压力波形中的气缸压力幅值M 大于基准值M,且小于基准值M2时，判定发生了微弱爆震。当幅值M 大于或等于基准值M2时，判定发生了强烈爆震。
在第三实施例中，通过将气缸压力传感器54检测的气缸压力与 基准压力相比较来判定不点火，但可以根据从燃烧期间检测的气缸压 力计算的发热量来判定不点火。当根据火焰传播燃烧期间的气缸压力 P计算的发热量QA小于基准发热量Q,时，判定在火焰传播燃烧中发 生了不点火。当根据自燃燃烧期间的气缸压力P计算的发热量QB小 于基准发热量Q2时，判定在自燃燃烧中发生了不点火。
在不点火时，曲轴角速度的变化率小于正常时的变化率，因此， 可以根据曲轴角速度的变化率来判定不点火。可以根据曲轴转角传感 器52的检测值来计算曲轴角速度的变化率。当火焰传播燃烧期间的 角速度变化率AwA小于基准变化率A^时，判定在火焰传播燃烧期间 发生了不点火。当自燃燃烧期间的角速度变化率AwB小于基准变化率 A化时，判定在自燃燃烧期间发生了不点火。
可以在火花塞25中设置离子电流传感器，并且可以根据空气燃 料混合物燃烧期间的离子电流来判定不点火。当空气燃料混合物燃烧 时，根据燃烧状态而产生阳离子。离子电流传感器检测由阳离子产生 的离子电流。当火焰传播燃烧期间的离子电流lA小于基准电流值L 时，判定在火焰传播燃烧时发生了不点火。当在自燃燃烧期间的离子 电流lB小于基准电流值12时，判定在自燃燃烧时发生了不点火。
在第一到第三实施例中，进气阀16可以由可变阀驱动机构驱动。 参考图19,如果进气阀16的关闭定时IVC设置在活塞下止点之后， 则随着发动机负荷Ld降低，进气阀16的关闭定时IVC向活塞下止点 侧前进。通过控制关闭定时IVC，内燃机100的有效压縮比增加。因 此，可以提高正链垸烃的自燃性，并且稳定地进行自燃燃烧。
在第一到第三实施例中，如图l、 9和15所示，可提供可变地
控制内燃机100的机械压縮比的可变压縮比机构71。在这种情况下， 如图20所示，通过随着发动机负荷Ld的降低而提高机械压縮比CR， 可以提高正链垸烃的自燃性作用。从而稳定地进行自燃燃烧。当机械 压縮比CR提高时，除了稳定地自燃以外，还可提高热效率。
在第一到第三实施例中，通过单独地供给具有不同性质的多种 燃料来实现预定的燃烧速度和预定的自燃性。但是，为获得预定的自 燃性和燃烧速度，可以在单独提供的多个燃料箱中存储具有不同组分 的多种预混合燃料，并且根据运转状态地向内燃机ioo分别供给这些 燃料。
在第一到第三实施例中，除了存储汽油的燃料箱31外，还可提
供存储正链垸烃的燃料箱和存储氢气的燃料箱，从而向各燃料喷射阔 21-23供给存储在相应燃料箱中的燃料。
除了正链烷烃外，还可采用轻油、二甲醚、二乙醚或归类为具 有高十六垸值的其它燃料作为第一燃料。
除了氢外，还可采用乙烯、乙炔或具有高分层燃烧速度的其它 燃料作为第二燃料。
本发明由后附权利要求书限定。
附图标记清单
32低压燃料泵
33燃料分离器
34燃料重整机构
35气泵
36高压燃料泵
51加速踏板下压传感器
52曲轴转角传感器
53水温传感器
54气缸压力传感器
55爆震水平传感器71 可变压縮比机构 161 阔定时控制机构 181 阀驱动机构
权利要求
1.一种内燃机(100)，包括燃料供给装置(22，23)，其供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃烧速度比汽油高的第二燃料，使得在燃烧室(14)中形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物；点火装置(25)，其点燃空气燃料混合物；控制装置(41)，其控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。
2. 根据权利要求1所述的内燃机(100)，其特征在于， 燃料供给装置(22， 23)在整个燃烧室(14)内形成包含第一燃料和第二燃料的均质空气燃料混合物。
3. 根据权利要求2所述的内燃机(100)，其特征在于， 除了第一燃料和第二燃料外，燃料供给装置(21-23)还供给自燃性比第一燃料低并且燃烧速度比第二燃料低的第三燃料，使得在整 个燃烧室(14)中形成包含第一燃料、第二燃料和第三燃料的均质空 气燃料混合物。
4. 根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于， 随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加第一燃料和第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。
5. 根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于， 控制装置(41)确定内燃机(100)是否处于冷机状态，当内燃机(100)处于冷机状态时，与暖机状态相比，控制装置(41)增加 第一燃料和第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。
6. 根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于， 控制装置(41)确定在火焰传播燃烧期间是否发生不点火，当 在火焰传播燃烧期间发生不点火时，控制装置(41)增加第一燃料和 第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。
7. 根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于， 控制装置(41)确定在自燃燃烧期间是否发生不点火，当在自燃燃烧期间发生不点火时，控制装置(41)增加第一燃料的供给比例， 并减少第三燃料的供给比例。
8. 根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于， 控制装置(41)确定是否发生爆震，当发生爆震时，控制装置(41)增加第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。
9. 根据权利要求8所述的内燃机(100)，其特征在于， 控制装置(41)确定是否发生比基准值更强烈的爆震，当发生比基准值更强烈的爆震时，控制装置(41)增加第二燃料的供给比例， 并减少第一燃料和第三燃料的供给比例。
10. 根据权利要求1所述的内燃机(100)，其特征在于， 燃烧室(14)包括主燃烧室(141)和辅助燃烧室(142)，主燃烧室(141)的容积根据活塞(13)的移动而变化，辅助燃烧室(142) 具有固定的容积，并且通过喷射孔(142A)与主燃烧室(141)连通，燃料供给装置(22， 23)在主燃烧室(141)中形成包含第一燃 料的均质空气燃料混合物，在辅助燃烧室(142)中形成包含第二燃 料的均质空气燃料混合物，火花塞(25)点燃在辅助燃烧室(142)中形成的包含第二燃料 的均质空气燃料混合物，并且控制装置(41)调节第一燃料和第二燃料的供给比例，使得主 燃烧室(141)中的空气燃料混合物通过火炬经历火焰传播燃烧，然 后经历自燃燃烧，其中火炬是在火花塞(25)点燃辅助燃烧室(142) 中的空气燃料混合物之后，通过辅助燃烧室(142)中的空气燃料混合物的燃烧而产生的。
11. 根据权利要求IO所述的内燃机(100)，其特征在于， 燃料供给装置(21-23)向主燃烧室(141)供给自燃性比第一燃料低且燃料速度比第二燃料低的第三燃料，使得在主燃烧室(141) 中形成包含第一燃料和第三燃料的均质空气燃料混合物。
12. 根据权利要求11所述的内燃机(100)，其特征在于， 随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加第一燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。
13. 根据权利要求11所述的内燃机(100)，其特征在于， 随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加第二燃料的供给比例。
14. 根据权利要求11所述的内燃机(100)，其特征在于， 控制装置(41)确定内燃机(100)是否处于冷机状态，当内燃机(100)处于冷机状态时，与暖机状态相比，控制装置(41)增加 第一燃料的供给比例，并且减少第三燃料的供给比例。
15. 根据权利要求14所述的内燃机(100)，其特征在于， 当内燃机(100)处于冷机状态时，与暖机状态相比，控制装置(41)增加第二燃料的供给量。
16. 根据权利要求l所述的内燃机(100)，其特征在于， 随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加空气燃料混合物的过量空气系数。
17. 根据权利要求l所述的内燃机(100)，其特征在于， 当内燃机运转状态处于预定的低内燃机负荷、低内燃机转速区 域时，控制装置(41)调节燃料供给比例。
18. 根据权利要求1所述的内燃机(100)，还包括阀定时控制机构(161)，随着内燃机负荷降低，该阀定时控制 机构(161)使进气阀(16)的关闭定时更靠近活塞下止点定时，以 便提高有效压縮比。
19. 根据权利要求1所述的内燃机(100)，还包括可变压縮比机构(71)，随着内燃机负荷降低，该可变压縮比 机构(71)提高机械压縮比。
20. 根据权利要求1至19中任一项所述的内燃机(100)，其 特征在于，燃料供给装置(21-23)包括燃料喷射阀，点火装置(25)包括 火花塞，控制装置(41)包括可编程控制器。
21. —种用于内燃机(100)的控制方法，所述内燃机(100) 包括燃料供给装置(22， 23)和点火装置(25)，所述燃料供给装置(22， 23)供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃料速度比汽油高的第 二燃料，从而在燃烧室(14)中形成包含第一燃料和第二燃料的空气 燃料混合物，所述点火装置(25)点燃空气燃料混合物， 所述方法包括控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料 混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。
全文摘要
本发明公开一种内燃机(100)，包括燃料喷射阀(21，22)，其供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃烧速度比汽油高的第二燃料，从而在燃烧室(14)中形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物；火花塞(25)，其点燃空气燃料混合物；可编程控制器(41)，其编程为控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。这样，可以减少排放，并可通过自燃燃烧获得高的热效率。
文档编号F02D41/26GK101363372SQ20081013514
公开日2009年2月11日 申请日期2008年8月4日 优先权日2007年8月6日
发明者堀田勇, 寺地淳, 新城崇, 角方章彦, 野田彻 申请人:日产自动车株式会社