带增压器发动机的控制方法以及控制装置的制作方法

专利名称：带增压器发动机的控制方法以及控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及带增压器发动机的控制方法以及控制装置，该发动机具备将导入燃烧 室的新鲜空气进行增压的增压器。
背景技术：
以往，如日本专利公开公报特开2007-292060号(专利文献1)所示，在具有火花 塞的火花点火式汽油发动机中，在发动机的部分负载运转区域，进行使混合气体自点火的 压缩自点火燃烧，另一方面，在更高负载侧的运转区域，通过基于火花点火的强制燃烧来进 行运转。如此根据发动机负载来区分使用压缩自点火燃烧形式与基于火花点火的强制燃 烧形式的方案，以往已有很多。即，压缩自点火燃烧是在燃烧室的各处同时地进行多发自点 火的燃烧，与自以往采用的火花点火的燃烧形式相比能够获得更高的热效率，但高负载时 的燃烧控制性存在问题(即易引起过早点火或爆震等)，所以在高负载区域，所进行的燃烧 须由火花点火来控制。因此，便需要根据负载来区分使用基于压缩自点火的燃烧形式与基 于火花点火的燃烧形式这两种燃烧形式。由此，尽管压缩自点火燃烧只在部分区域进行，但 由于其能够准确地被执行，因此，其执行区域中的热效率高，结果，获得改善燃油经济性的 优点。然而，基于压缩自点火的燃烧不仅在高负载区域容易变得不稳定，而且在发动机 负载极低时(例如空载时)也容易变得不稳定。即，当负载极低时，发动机的缸内温度下 降，易引起熄火。为此，日本专利公开公报特开2007-85241号(专利文献2)中提出了一种 技术方案，即，在发动机的极低负载区域中，通过与废气的热交换来强制加热所吸入的空气 (新鲜空气)，并将该经过加热的空气导入缸内。这样通过将新鲜空气加热之后再导入缸内 时，由于缸内温度的上升，自点火得到促进，因此具有能够防止熄火的优点。另一方面，已知为了提高发动机的热效率，只要在比理论空燃比稀薄的空燃比下 使混合气体燃烧即可。即，只要将与燃料(汽油)的供给量相对过剩的空气导入气缸内，并 在由此形成的稀薄空燃比下进行燃烧，就能够使燃烧温度与理论空燃比下的燃烧相比相对 降低，因此可降低发动机的排气损失以及冷却损失，结果能够进一步提高热效率。由此，只要如上述那样在将空燃比设定为稀薄的状态下进行上述压缩自点火燃 烧，就能够期待更有效地提高发动机的热效率以改善燃油经济性。但是，如果在稀薄空燃比下进行压缩自点火燃烧，则例如在发动机的低负载区域 存在更容易引起熄火的危险。作为解决此问题的对策，可考虑采用如专利文献2那样加热 新鲜空气的方法，但如果要通过加热新鲜空气来强行引起在稀薄空燃比且低负载状况下的 自点火，料想须大幅加热新鲜空气，因而存在实用上的问题、或因密度下降造成的输出下降
等危险。

发明内容
本发明鉴于上述情况而作，其目的在于，在无需进行强制增减新鲜空气温度的操 作的情况下，与以往的方案相比，在更宽范围的负载区域进行稀薄空燃比下的压缩自点火 燃烧，更有效地提高发动机的热效率。本发明的带增压器发动机的控制方法是控制具备将导入燃烧室的新鲜空气进行 增压的增压器的发动机的方法，其中，几何压缩比设定为16以上，至少在发动机的低转速 区域，在比理论空燃比稀薄的空燃比下进行压缩自点火燃烧，在进行上述压缩自点火燃烧 的运转区域中，在比指定负载低的低负载侧，与比上述指定负载高的高负载侧相比，降低新 鲜空气量且提高有效压缩比，而在上述高负载侧，与上述低负载侧相比，提高上述增压器的 增压压力来增大新鲜空气量，并且降低有效压缩比。本发明的带增压器发动机的控制装置是控制具备将导入燃烧室的新鲜空气进行 增压的增压器的发动机的装置，其中，几何压缩比设定为16以上，包括控制单元，该控制单 元控制发动机的各部，以至少在发动机的低转速区域，在比理论空燃比稀薄的空燃比下进 行压缩自点火燃烧，上述控制单元在进行上述压缩自点火燃烧的运转区域中，在比指定负 载低的低负载侧，与比上述指定负载高的高负载侧相比，相对地降低新鲜空气量且提高有 效压缩比，而在上述高负载侧，与上述低负载侧相比，提高上述增压器的增压压力来增大新 鲜空气量，并且降低有效压缩比。根据上述发明，能够在无需进行强制增减新鲜空气温度的操作的情况下，在更宽 范围的负载区域进行稀薄空燃比下的压缩自点火燃烧，更有效地提高发动机的热效率。


图1是表示空气过剩率λ与NOx的生成量之间的关系的图。图2是说明燃料与氧气发生化学反应而引起压缩自点火燃烧的状态的图。图3是模式化地表示普通的活塞式汽油发动机的图。图4是计算发动机转速为IOOOrpm时使混合气体以MBT自点火的压缩端温度以及 压缩端压力的条件的图。图5是计算发动机转速为1000、2000....... 6000rpm时使混合气体以MBT自点火
的压缩端温度以及压缩端压力的条件的图。图6是表示本发明的一个实施例所涉及的发动机的整体结构的图。图7是表示为了控制内部EGR量而设定的进排气门的升程特性的一例的图。图8是表示为了控制有效压缩比而设定的进气门的升程特性的一例的图。图9是说明发动机的运转状态的变化的图。图10是说明当发动机的运转状态沿负载方向变化时执行的控制内容的图。图11是说明当发动机的运转状态沿转速方向变化时执行的控制内容的图。图12是说明本发明的其他实施例的图。
具体实施例方式<至完成本发明的研究>(1-1)关于空燃比的考察
如说明本发明的课题时所述，如欲提高发动机的热效率以改善燃油经济性，只要 在比理论空燃比稀薄的空燃比下使混合气体燃烧即可。通过降低空燃比，混合气体的燃烧 温度下降，排气损失以及冷却损失减少，热效率提高。进行如上所述的稀薄燃烧的汽油发动机(稀薄燃烧汽油发动机)以往已经开发出 来，例如，相对于通常14. 7左右的理论空燃比，将混合气体的空燃比加大设定到20左右的 汽油发动机在过去已经投入使用。但是，在20左右的空燃比的情况下，不仅无法期望热效 率的大幅改善，而且还存在排放恶化的问题。即，在发动机的排气通路内，一般设有能够同 时净化废气中所含的HC、C0、Nox的三元催化剂，但该三元催化剂在空燃比为理论空燃比时 才发挥最大性能，例如当空燃比稀薄化至20左右时，NOx的净化性能将急剧下降。当然，即使无法期待三元催化剂对NOx的净化，例如只要在上述三元催化剂之外 另行设置将Nox吸附、还原的NOx催化剂，也能够一定程度地净化Nox以抑制其排出量。在 过去开发的稀薄燃烧汽油发动机中，也是通过在排气通路中设置如上所述的NOx催化剂来 消除NOx的问题。但是，NOx催化剂的性能有限，例如在20左右的空燃比下，即使设置NOx 催化剂，也难符合日益严格的排放标准。对此，本案发明人考虑通过将空燃比相对于理论空燃比大幅稀薄，来降低因燃烧 产生的NOx量(原始NOx量)自身。即，通过将空燃比大幅稀薄，使混合气体的燃烧温度低 于NOx的生成温度(活跃地生成Nox的温度)，借此大幅减少NOx的生成量。图1是表示空气过剩率λ与NOx的生成量(因燃烧产生的原始NOx量)之间的 关系的图。在该图中，纵轴的值Y表示如果设置NOx催化剂即能够充分满足排放规定的NOx 的量，值X表示即使不设置NOx催化剂也能够充分满足排放标准的NOx的量。由图1可知，只要实际空燃比相对于理论空燃比之比(实际空燃比除以理论空燃 比所得的值)即空气过剩率λ加大到2.4(空燃比约35)以上，基于燃烧产生的原始NOx 量将会达到上述基准值X以下，即使不设置NOx催化剂也能够充分满足排放标准。另一方 面，在空气过剩率λ为λ = 2 2.4的范围，NOx生成量将超过上述基准值X，但小于基准 值Y，因此只要设置NOx催化剂，就能够充分满足标准。由以上的情况可知，要消除NOx排出量的问题，只要将实际空燃比相对于理论空 燃比之比即空气过剩率λ设定为2以上，较为理想的是设定为2. 4以上即可。由于只要设 定为λ >2. 4就能够省去NOx催化剂，因此与λ =2 2. 4时相比，在成本等方面也有利。但是，如果要在λ彡2 (或2. 4)的超稀薄的空燃比下使混合气体燃烧，混合气体 点火后的火焰传播速度与理论空燃比时相比将大幅下降，因此如果采用与以往的汽油发动 机同样的基于火花点火的燃烧，将容易引起熄火，难以实用。但是，如果采用使混合气体同 时地进行多发自点火的压缩自点火燃烧，则只要创造出能够自点火的环境，尽管如上所述 火焰传播速度会下降，但也能够在λ >2的空燃比下进行恰当的燃烧，本案发明人着眼于 此点，进一步进行如下所述的研究。(1-2)关于压缩自点火燃烧的考察如图2所示，汽油发动机中的压缩自点火燃烧是燃料(汽油)与氧气自主发生化 学反应的现象。当引起燃料与氧气的化学反应时，会生成水与二氧化碳，并且产生因内部能 量差引起的热。是否能够引起此种化学反应，取决于混合气体的温度、压力、高温高压时间 (曝露于高温高压下的时间)。具体而言，温度越高，分子速度越快，压力越高(即分子密度越高)分子的碰撞频度越高，因此，温度以及压力越高，燃料与氧气的碰撞产生的能量越 大，从而越容易引起化学反应。当温度以及压力较高的时间(高温高压时间)持续一定程 度时，燃料与氧气的化学反应开始，随后，化学反应连锁进行而使混合气体的燃烧完成。图3模式化地表示包含活塞及气缸等的普通汽油发动机。本案发明人在本图所示 的活塞式汽油发动机中，在考虑如上所述的压缩自点火燃烧的特性的基础上，对在可获得 最大扭矩的最佳点火时机(Minimum Advance for Best Torque (最大扭矩时的最小点火提 前角)，以下称作MBT)使混合气体自点火的缸内温度T、缸内压力P的条件进行了考察。另 外，MBT(最佳点火时机)基于发动机的负载的不同而不同，但其大致在从与压缩上止点一 致的时期(高负载时)至3° ATDC(低负载时)的范围。无需多言，“压缩上止点”是指压 缩冲程与膨胀冲程之间的上止点，“ ° ATDC”是指通过上止点后的曲柄角。要使混合气体以MBT自点火，须根据发动机的转速来控制MBT紧前的缸内温度T 以及缸内压力P。即，发动机的转速越快，混合气体的高温高压时间越短，发动机的转速越 慢，则混合气体的高温高压时间越长，因此在高温高压时间较短的高转速区域，须提高MBT 紧前(即混合气体自点火紧前)的缸内温度T及缸内压力P，而在高温高压时间较长的低转 速区域，须降低MBT紧前的缸内温度T及缸内压力P。另外，如上所述，由于MBT限于压缩上 止点的附近，因此，以下，以压缩上止点处的缸内温度及缸内压力来代表MBT紧前的缸内温 度T以及缸内压力P，并分别称作压缩端温度Tx以及压缩端压力1^。图4是根据基元反应计算以及状态方程式来计算当发动机转速为IOOOrpm时，混 合气体以MBT (最佳点火时机)自点火的压缩端温度Tx以及压缩端压力I3H压缩上止点处 的缸内温度及缸内压力)的条件的图。另外，在该图的计算时，设实际空燃比相对于理论空 燃比之比即空气过剩率λ为2. 4，设压缩比为18。之所以设空气过剩率λ =2. 4，是因为 这样能够充分减少因燃烧产生的NOx量(原始NOx量)自身，即使省去NOx催化剂也能够 满足排放标准(参照上述(1-1))。另外之所以设压缩比为18，是因为欲在λ = 2. 4的稀 薄空燃比下使混合气体自点火，须以比普通活塞式汽油发动机更高的压缩比来使混合气体 更高温高压化，此外，通过高压缩比化，在热效率方面也有利。在图4中，线Ll是将混合气体以MBT自点火所需的压缩端温度Tx及压缩端压力 Px的值连接而成的线，表示只要各值TxJx位于上述线Ll上，自点火的时机即为ΜΒΤ。而且，在图4中，线Ml、Μ2、Μ3表示基于被导入缸内的新鲜空气量而得的负载值， Ml是全负载，M2是1/3负载，M3是无负载。即，如果将压缩比固定设为18，则压缩上止点 处的行程容积将始终为一定，因此根据状态方程式可知，新鲜空气量(负载)与压缩端压 力I3X成正比，而与压缩端温度Tx成反比。因此，对于每个负载值，可以规定斜率不同的多 条线Ml M3。另外，在本图中，如果以平均有效指示压力andicated Mean Effective Pressure, IMEP)来表示各负载的值，则全负载(Ml)时的IMEP = 1300kPa, 1/3负载(M2)时 的 IMEP = 500kPa，无负载(M3)时的 IMEP = 200kPa。如图4所示，负载越低，混合气体以MBT自点火的条件(线Li)越向高温低压侧移 动，相反地，负载越高，越向低温高压侧移动。即，当负载低而新鲜空气量少时，分子的碰撞 频度变低，因此要引起化学反应，须提高压缩端温度Tx以加快分子速度，相反地，当负载高 而新鲜空气量多时，分子的碰撞频度变高，因此要以同样的时机来引起自点火，须降低压缩 端温度Tx以减慢分子速度。
如果压缩端温度Tx以及压缩端压力I^x的条件较上述线Ll偏向高温高压侧(图 的右上侧)，则自点火的时机将早于MBT，如果较上述线Ll偏向低温低压侧(图的左下侧)，则 自点火的时机将晚于MBT。如果相对于线Ll而向高温高压侧或低温低压侧大幅偏移，则在高温 高压侧会引起过早点火(提前点火(preignition))或爆震等，而在低温低压侧会引起熄火。图5是表示以上述图4为基础，在仅使发动机转速作各种变化的情况下，进行与 图4同样的运算所得的结果。图中的线Ll L6中，线Ll表示与图4同样发动机转速 为IOOOrpm时的条件，其他的线L2 L6表示发动机转速分别为2000、3000、4000、5000、 6000rpm时的温度及压力的条件。由图5可知，表示发动机转速为2000 6000rpm时的条件的线L2 L6均向右下 倾斜，显示与上述IOOOrpm时的线Ll同样的趋势。而且，这些线Ll L6的位置从左到右依
次是Li、L2.......L6，由此可知，发动机转速越高，越须要提高压缩端温度Tx以进行自点
火。这是因为，当发动机转速较快时，混合气体曝露于高温高压下的时间(高温高压时间) 较短，因此须以更短的时间引起化学反应。而且，在图5中，线Ll L6均向右下倾斜，因此可知的是，无论发动机转速如何， 负载越低，使混合气体以MBT自点火的温度及压力的条件越向高温低压侧移动，而负载越 高，则越向低温高压侧移动。但是，实际上，如果压缩冲程的初始温度(压缩初始温度)相 同，压缩比也相同，则只有压缩端压力I3X随着负载的增减(即新鲜空气量的增减)而变化， 而压缩端温度Tx不变。由此，除非例如能够对新鲜空气自如地加热或冷却，否则实质上不 可能在一定的压缩比之下创造出图5的线Ll L6所示的温度及压力的条件(涂成灰色的 区域S内的条件)。例如，图5中以影线示出的区域W表示以压缩比16 18将常温(压缩初始温度 750C )且处于大气压(0. IMPa)下的指定量的新鲜空气进行压缩时所得的压缩端温度Tx以 及压缩端压力I^x的范围。根据该区域W的范围可知，以压缩比16 18将常温且大气压下 的新鲜空气进行压缩时，能够部分满足可使混合气体恰当地自点火的条件(灰色区域S的 条件)，但是例如当与上述区域W时相比减少新鲜空气量(负载)时，压缩端温度Tx以及压 缩端压力I3X的范围将较上述区域W的位置更向低压侧(区域W的正下侧)移动，从而偏离 可使混合气体恰当地自点火的条件(区域幻。因此，可以认为如果只是单纯地增减新鲜 空气量，将无法在所有的负载以及转速的范围下引起恰当的压缩自点火燃烧。假设能够自如地加热或冷却新鲜空气的温度，理论上能够在所有的负载以及转速 下引起恰当的压缩自点火燃烧，但是要全部满足图5的区域S所示的条件，须在相当宽的温 度范围进行新鲜空气的加热或冷却，出于成本方面及控制性等方面的问题，并非现实的方 法。(1-3)解决方法为此，本案发明人考虑，通过在使发动机的压缩比在18以下的范围变化的情况 下，结合进行增压及内部EGR(Exhaust Gas Recirculation (废气再循环))，从而创造出与 表示恰当的压缩自点火燃烧的条件的区域S实质上相同的条件。要使压缩比在18以下的范围变化，只要将发动机的几何压缩比设定为18，并且延 迟进气门的关闭时期即可。只要延迟进气门的关闭时期，实质上开始压缩的时期将延迟，发 动机的实质的压缩比(有效压缩比)将低于18。
降低有效压缩比的操作会导致压缩端温度Tx的下降，因此尤其在发动机的低转 速高负载区域(图5的区域S的左上部分)内有效。但是，如果为了降低有效压缩比而延 迟进气门的关闭时期，则导入缸内的新鲜空气量将会减少，因此如果只是单纯地降低有效 压缩比，与低转速高负载区域中的自点火的条件相比，压缩端压力I3X将变得过小，料想会 导致扭矩不足或熄火。对此，须配合有效压缩比的下降来进行增压，以补偿减少的新鲜空气 量。另外，例如在发动机的高转速区域(区域S的右侧部分)或者低负载区域(区域 S的下侧部分)，须提高压缩端温度Tx，此时进行使高温的已燃气体残留在缸内的内部EGR。 借此，可提高压缩冲程的初始温度(压缩初始温度)，并且提高压缩端温度Tx，从而能够创 造出适合于高转速低负载区域中的压缩自点火燃烧的条件。另外，要进行内部EGR，例如只 要设定从排气冲程到进气冲程使进排气门均关闭的负重叠(negative over lap)期间即 可。〈本发明的实施例〉(2-1)整体结构图6是表示基于如上所述的基础理论而设计出的本发明的一个实施例所涉及的 发动机的整体结构的图。本图所示的发动机具有由多气缸汽油发动机构成的发动机主体1， 该发动机主体1包括具有沿着与纸面正交的方向配置的多个气缸2(图中仅示出其中的 一个)的气缸体3 ；以及配置在气缸体3上的气缸盖4。另外，提供给发动机主体1的燃料 只要是以汽油为主成分的燃料即可，其成分既可以全部是汽油，也可以在汽油中含有乙醇 (ethylalcohol)等。活塞5可往复滑动地插入上述发动机主体1的各气缸2内。活塞5经由连杆8连 结于曲轴7，对应于上述活塞5的往复运动，上述曲轴7绕中心轴旋转。在上述活塞5的上方形成有燃烧室6，在燃烧室6上开设有进气口 9以及排气口 10，开闭各气口 9、10的进气门11以及排气门12分别设置在上述气缸盖4上。进气门11 以及排气门12分别通过包括气缸盖4上配设的一对凸轮轴(未图示)等的气门传动机构 13的驱动而与曲轴7的旋转联动地被开闭。在上述进气门11以及排气门12用的各气门传动机构13内，分别组合有VVL14以 及WT15。VVL14是可变气门升程机构(Variable Valve Lift Mechanism)的简称，其可变 地设定进排气门11、12的升程量(开阀量)。VVT15是可变气门正时机构(Variable Valve Timing Mechanism)的简称，其可变地设定进排气门11、12的开闭时机(相位角度)。另外， 上述VVL14以及VVT15已有各种形式的产品投入使用，已经众所周知，因此此处省略其详细 说明，例如可以采用前述专利文献2所公开的产品。在上述发动机主体1的气缸盖4上，以从上方面临各气缸2的燃烧室6的状态设 有火花塞16。火花塞16与设置于气缸盖4的上部的点火电路17电连接，基于该点火电路 17的供电，从上述火花塞16释放出点火用火花。另外，如后文所述，在本实施例的发动机 中，在所有运转区域进行基于压缩自点火的燃烧，基本上不进行基于火花点火的燃烧，但例 如在发动机的起动时或极冷期间时，基于压缩自点火的燃烧存在熄火的危险，须采用基于 火花点火的燃烧，因此上述火花塞16至少在此类情况下被使用。在上述气缸盖4上，以从进气侧的侧面面临燃烧室6的状态设有喷射器18。并且，
8在发动机的进气冲程等中，从上述喷射器18对燃烧室6直接喷射燃料(以汽油为主成分的 燃料)，喷射出的燃料与空气混合，从而在燃烧室6内生成所需的空燃比的混合气体。在如上述那样构成的发动机主体1中，基于活塞5位于上止点时的燃烧室6的容 积与活塞5的行程容积而定的几何压缩比被设定为18。在上述发动机主体1的进气口 9以及排气口 10上，分别连接有进气通路20以及 排气通路21。即，燃烧用空气(新鲜空气)通过上述进气通路20被供应至燃烧室6，并且 燃烧室6内生成的已燃气体(废气)通过上述排气通路21被排出至外部。在上述进气通路20中设有节流阀22。另外，如上所述，在本实施例的发动机中，通 过VVL14以及VVT15的运转来可变地设定进排气门11、12的升程量以及开闭时机，因此即 使不开闭上述节流阀22，也能够调整对燃烧室6的进气填充量而控制发动机输出。由此，上 述节流阀22例如在发动机的紧急停止时为阻断进气通路20而被运作，基本上，无论发动机 的运转状态如何均维持为全开。这样，通过使节流阀22始终全开，能够实现泵送损失的降 低。通过上述进气通路20的新鲜空气由增压器25加压后被供应至燃烧室6。上述增压器25包括设在进气通路20中的压缩机沈；设在排气通路21中的涡轮 27 ；连结上述压缩机沈以及涡轮27的连结轴观；以及驱动该连结轴观旋转的电动机四。 于是，当上述涡轮27受废气的能量作用而旋转时，压缩机沈与其联动地高速旋转，借此，通 过上述进气通路20的新鲜空气被加压后被压送至燃烧室6，并且必要时上述电动机四被驱 动以辅助压缩机26的旋转。另外，上述压缩机沈包含相对较大型且加压能力优异的叶轮，通过此种大型压缩 机沈对进气进行加压的上述增压器25尤其在废气的能量大的高负载区域发挥高增压性 能。而且，通过视需要来进行基于上述电动机四的旋转辅助，能够以优异的响应性来对进 气进行加压。在上述进气通路20中的压缩机沈的下游侧，设有水冷式的中间冷却器30，通过增 压而升温的新鲜空气由上述中间冷却器30加以冷却。在上述排气通路21中设有用于旁通涡轮27的旁通通路33、及开闭旁通通路33的 电动式的废气旁通阀；34。并且，通过废气旁通阀34的运转来开闭旁通通路33，从而在废气 流入涡轮27以驱动涡轮27旋转的状态、与废气旁通涡轮27以停止涡轮27的旋转的状态 之间进行切换。在上述排气通路21中设有废气净化用催化转换器32。在催化转换器32中内置有 三元催化剂，通过排气通路21的废气中的有害成分基于上述三元催化剂的作用而得到净 化。(2-2)控制系统在如上述那样构成的发动机中，设有综合控制其工作的作为控制单元的 ECU (Engine Control Unit (发动机控制单元))40，该ECU40包含以往公知的CPU及存储器寸。上述E⑶40与设置在发动机的各部上的传感器类电连接。具体而言，上述E⑶40 与检测曲轴7的转速的发动机转速传感器51、检测通过进气通路20的新鲜空气量的气流 传感器52、及检测由驾驶者进行踩踏操作的图外的加速踏板的操作量(加速踏板开度)的加速踏板开度传感器53电连接，这些传感器51 53的检测值作为电信号被分别输入上述 ECU40。而且，上述E⑶40也与上述VVL14、VVT15、点火电路17、喷射器18、节流阀22、电动 机四以及废气旁通阀34电连接，对这些装置分别输出驱动用控制信号。下面，对上述E⑶40所具有的更具体的功能进行说明，上述E⑶40具有作为其主要 功能要素的气门控制单元41、增压控制单元42以及喷射器控制单元43。上述气门控制单元41是驱动控制上述VVL14及VVT15以可变地设定进排气门11、 12的升程特性(开闭时机以及升程量)的单元。更具体而言，气门控制单元41具有如上所 述通过改变进排气门11、12的升程特性来控制燃烧室6内残留的已燃气体的量(内部EGR 量)的功能以及控制发动机的有效压缩比的功能。当上述气门控制单元41控制内部EGR量时，例如以图7所示的形态来改变进排气 门11、12的升程特性。在图7中，Lex表示排气门12的升程特性，Lin表示进气门11的升 程特性，横轴的NVO的范围表示从排气冲程到进气冲程，上述进排气门11、12均关闭的负重 叠期间。上述气门控制单元41驱动VVL14以及VVT15来改变进排气门11、12的升程特性， 以增减上述负重叠期间NV0，借此调节燃烧室6内残留的已燃气体的量(内部EGR量)。另外，当上述气门控制单元41控制发动机的有效压缩比时，例如以图8所示的形 态来改变进气门11的升程特性。即，进气门11通常如图8的实线波形所示，在进气下止点 的延迟角侧的附近(稍许超过进气下止点的时机)关闭，在此状态下，有效压缩比与几何压 缩比(本实施例中为18) —致，但当如图8的虚线波形所示，进气门11的关闭时期相对于 进气下止点被大幅延迟设定时，压缩冲程的开始时期将延迟，发动机的实质性压缩比(有 效压缩比)将下降。上述气门控制单元41通过增减使上述进气门11的关闭时期延迟的量 (延迟量)来可变地设定发动机的有效压缩比。另外，在图8中，例示出使进气门11用的VVT15运转而使进气门11的工作时机 (打开气门以及关闭气门的时机)如图8的虚线所示般偏向延迟角侧的情况。这样，当仅 使VVT15运转时，不仅进气门11的关闭时期变化，而且打开时期也变化，因此图7所示的负 重叠期间NVO也同时变化，当只改变有效压缩比而不改变负重叠期间NVO时，为了使进气门 11的打开时间为一定而仅使关闭时期可变，只要使VVL14以及VVT15两者运转而改变进气 门11的升程量以及开闭时机即可。上述增压控制单元42通过视需要来驱动控制上述增压器25用的电动机四，并且 通过驱动控制上述废气旁通阀34的开闭来控制增压器25，以获得与运转状态相应的恰当 的增压压力。上述喷射器控制单元43控制从上述喷射器18喷射到燃烧室6内的燃料的喷射时 期及喷射量(喷射时间)等。更具体而言，上述喷射器控制单元43具有以下功能，即基于 从上述气流传感器52输入的吸入空气量(新鲜空气量)等信息，运算出获得指定的空燃比 的燃料的目标喷射量，使上述喷射器18仅打开与该目标喷射量相应的时间，借此控制缸内 的空燃比。在本实施例中，上述喷射器控制单元43控制来自喷射器18的燃料喷射量，以使 实际空燃比相对于理论空燃比之比即空气过剩率λ在所有运转区域均维持为λ =2.4。 另外，关于燃料的喷射时期，为了充分确保燃料与空气的混合时间，而在进气冲程中喷射燃 料。
(2-3)控制的具体例接下来，具体说明发动机根据负载以及转速如何被如上述那样构成的ECU40所控 制。在以下的说明中，就以发动机的转速为IOOOrpm且负载为1/3负载(IMEP = 500kPa) 时的运转状态(图5的点R0)作为代表点时，负载或转速从该代表点RO变化时的控制的具 体例进行说明。图9是以发动机的转速为横轴以负载(IMEP)为纵轴时的运转区域的图。本图中 的箭头Al、A2表示发动机的运转状态从代表点RO沿负载方向变化的情况，图10表示在此 种情况下，发动机的有效压缩比ε'、压缩冲程的初始温度(压缩初始温度)TO、压缩冲程 的初始压力(压缩初始压力)PO分别如何变化的情况。而且，图9中的箭头A3表示发动机 的运转点从代表点RO沿转速方向变化的情况，图11表示在此种情况下，发动机的有效压缩 比ε'、压缩初始温度TO、压缩初始压力PO分别如何变化。另外，此处所说的压缩初始温 度TO以及压缩初始压力PO是指进气门11闭阀时的缸内温度以及缸内压力。另外，当进行 使已燃气体残留在缸内(燃烧室6)的内部EGR时，压缩初始压力PO是指在进气门11的关 闭时，新鲜空气在缸内所占的分压(缸内的总压减去已燃气体的分压所得的值)。首先，就代表点RO处的控制进行说明。如图10以及图11所示，当发动机的运转 状态位于代表点RO(转速=IOOOrpm, IMEP = 500kPa)时，本实施例的发动机中，有效压缩 比ε ’被设定为比几何压缩比(=18)小的15，并且压缩初始压力PO被设定为比自然吸 气时的压力(即大气压0. IMPa)大指定量的值。另一方面，对于压缩初始温度Τ0，维持为常 温(75 0C )。具体而言，通过上述气门控制单元41，至少使进气门11的关闭时期延迟，借此将 有效压缩比ε ‘从18降至15，并且通过上述增压控制单元42来驱动控制增压器25，从而 将压缩初始压力PO设定为比自然吸气压力高指定量。另外，由于压缩初始温度TO维持为常 温，因此不执行内部EGR(通过形成负重叠期间而使高温的已燃气体残留在燃烧室6内的控 制)。之所以如此在代表点RO处进行降低有效压缩比ε'且提高压缩初始压力PO (即对 新鲜空气进行增压)的控制，是因为在上述图5中，代表点RO的位置位于比以压缩比16 18压缩大气压的新鲜空气后的温度及压力范围亦即区域W稍低温侧且高压侧。即，要在转速=IOOOrpm, IMEP = 500kPa的代表点R0，使混合气体以MBT (最佳点 火时机)自点火以进行恰当的压缩自点火燃烧，须使压缩端温度Tx以及压缩端压力&的 条件与图5的代表点RO的位置一致，但与该代表点RO对应的条件在如上述区域W所示以压 缩比16 18压缩大气压的新鲜空气的情况下无法获得，须使压缩端温度Tx以及压缩端压 力I3X的条件向稍低温/高压侧移动。因此，如图10以及图11所示，在代表点RO处，将有 效压缩比ε'降至15且通过增压来提高压缩初始压力PO (新鲜空气量)，借此与上述区域 W相比，降低压缩端温度iTx且提高压缩端压力I^x。由此，在转速=1000rpm、IMEP = 500kPa 的代表点R0，能够创造出可进行恰当的压缩自点火燃烧的温度及压力的条件。接下来，就发动机的运转状态从代表点RO沿负载方向变化时(参照图9的箭头 AUA2)的控制进行说明。首先，如箭头Al所示，当从代表点RO移向高负载侧时，如图10的 范围SAl所示，随着负载的增大，执行逐渐降低有效压缩比ε'，并且逐渐提高压缩初始压 力PO的控制。另一方面，对于压缩初始温度Τ0，无论负载如何，均维持为常温。S卩，当从代表点RO向高负载侧移动时，进气门11的关闭时期较代表点RO时进一步延迟，借此，有效压缩比ε'在不足15的范围逐渐降低，例如在相当于全负载(IMEP = 1300kPa)的运转点Rl处，降至ε ‘ = 10.5。而且，配合有效压缩比ε ‘的下降，逐渐提高 增压器25的增压压力，以使压缩初始压力PO较代表点RO时进一步提高。另外，不执行内 部EGR，压缩初始温度TO维持为常温。如上所述，在代表点RO的高负载侧，随着负载的增大而逐渐降低有效压缩比 ε ‘，且通过增压提高压缩初始压力PO(即增大新鲜空气量)，这相当于在上述图5的图上 沿着线Ll向上改变温度及压力的条件(参照箭头Ala)。于是，通过这样来控制温度及压 力，能够恰当地进行高负载区域中的压缩自点火燃烧。S卩，如果要在代表点RO的高负载侧进行恰当的压缩自点火燃烧(混合气体以MBT 自点火的燃烧)，须如沿着线Ll向上的箭头Ala所示那样，使压缩端温度Tx以及压缩端压 力I3X的条件随着负载的增大向低温高压侧移动。故此，图10中，当负载相对于代表点RO 增大时，便降低有效压缩比ε ‘且通过增压提高压缩初始压力PO (新鲜空气量)。借此，以 代表点RO为基准，如图5的箭头Ala所示，降低压缩端温度Tx并且提高压缩端压力1^，从 而能够持续恰当的压缩自点火燃烧直至高负载侧。接下来，对如图9的箭头Α2所示，发动机的运转状态从代表点RO向低负载侧移动 时的情况进行说明。此时，如图10的范围SA2所示，随着负载的下降，执行逐渐提高有效压 缩比ε'以及压缩初始温度TO并且逐渐降低压缩初始压力PO的控制。S卩，当从代表点RO向低负载侧移动时，将进气门11的关闭时期的延迟量设定为 少于代表点RO时，借此，有效压缩比ε'在15以上的范围逐渐提高，例如在相当于无负载 (IMEP = 200kPa)的运转点R2处，有效压缩比ε ‘提高至与几何压缩比相同的18。而且， 配合有效压缩比ε ’的下降而执行内部EGR，逐渐增大残留在缸内(燃烧室6)的已燃气体 的量，从而在常温以上的范围逐渐提高压缩初始温度TO。此外，由增压器25进行的增压在 从代表点RO向低负载侧移动稍许量后的时刻停止，而通过如上所述那样执行内部EGR，缸 内的新鲜空气的分压将下降，因此压缩初始压力PO随着负载的下降而下降至不足大气压。如上所述，在代表点RO的低负载侧，随着负载的下降而逐渐提高有效压缩比 ε ‘，且通过内部EGR降低压缩初始压力PO (即减少新鲜空气量)，这相当于在上述图5的 图上沿着线Ll向下改变温度及压力的条件(参照箭头A2a)。于是，通过这样来控制温度及 压力，能够恰当地进行低负载区域中的压缩自点火燃烧。S卩，如果要在代表点RO的低负载侧进行恰当的压缩自点火燃烧(混合气体以MBT 自点火的燃烧)，须如沿着线Ll向下的箭头k2a所示那样，使压缩端温度Tx以及压缩端压 力I3X的条件随着负载的下降向高温低压侧移动。故此，图10中，当负载相对于代表点RO 下降时，便提高有效压缩比ε'且通过内部EGR降低压缩初始压力PO (新鲜空气量)。借 此，以代表点RO为基准，如图5的箭头k2a所示，提高压缩端温度Tx并且降低压缩端压力 Px,从而能够持续恰当的压缩自点火燃烧直至低负载侧。接下来，对如图9的箭头A3所示，发动机的运转状态从代表点RO向高转速侧移动 时的情况进行说明。此时，如图11所示，执行随着转速的上升来提高压缩初始温度TO的控 制。即，通过执行内部EGR，使残留在缸内的已燃气体的量逐渐增大，借此，使压缩初始温度 TO在常温以上的范围逐渐提高。另外，对于有效压缩比ε ‘以及压缩初始压力Ρ0，在转速为1000 2000rpm的范围，将有效压缩比ε'设定为比18低(15 18)，并且通过增压将压缩初始压力PO设定为 比大气压高。另一方面，在比上述速度范围高的高转速侧的2000 6000rpm范围，将有效 压缩比ε'维持为与几何压缩比相同的18，并且进行较轻的增压而将压缩初始压力PO设 定为稍高于大气压。如上所述，在代表点RO的高转速侧，通过内部EGR提高压缩初始温度Τ0，这相当于 在上述图5的图上沿着线Μ2向右改变温度及压力的条件(参照箭头A3a)。于是，通过这样 来控制温度及压力，能够恰当地进行高转速区域中的压缩自点火燃烧。S卩，如果要在代表点RO的高转速侧进行恰当的压缩自点火燃烧(混合气体以MBT 自点火的燃烧)，须如沿着线M2向右的箭头A3a所示那样，随着转速的上升，主要提高压缩 端温度Tx。因此，图11中，当转速相对于代表点RO上升时，通过内部EGR提高压缩初始温 度TO。借此，以代表点RO为基准，如图5的箭头A3a所示，提高压缩端温度Tx，从而能够持 续恰当的压缩自点火燃烧直至高转速侧。但是，尤其在比2000rpm高的高转速侧，压缩比ε ‘被固定为18，另一方面，增大 内部EGR量以提高压缩初始温度TO，因此随着内部EGR造成的温度上升，新鲜空气的密度下 降，有导致发动机输出下降的危险。故此，在图11的例子中，在比2000rpm高的高转速侧， 进行较轻的增压来增大压缩初始压力P0，借此避免新鲜空气的密度下降，从而恰当地确保 发动机输出。另外，在以上的例子中，分别基于图10以及图11说明了以代表点RO为基准，转 速固定而仅负载变化时(图9的箭头Al、A2)以及负载固定而仅转速变化时(图9的箭头 A3)的控制，但即使在移动到这些例子以外的运转区域时，只要根据图5的图求出适合于该 运转区域的压缩端温度Tx以及压缩端压力I3X的条件，并且为了获得该条件而控制有效压 缩比ε'、压缩初始温度TO、压缩初始压力Ρ0，便能够在所有运转区域进行恰当的压缩自 点火燃烧。具体而言，图10中，例示了转速固定为IOOOrpm，仅负载变化时的控制，但即使转 速为IOOOrpm以外的转速时，与负载相应的控制的趋势也相同。例如，即使在转速固定为 2000、3000、4000、5000、6000rpm等值时，也与图10同样地，只要在比指定负载高的高负载 侧，进行降低有效压缩比ε ‘且通过增压来增大新鲜空气量(即提高压缩初始压力Ρ0)的 控制，而在比指定负载低的低负载侧，进行提高有效压缩比ε'且通过内部EGR降低新鲜 空气量(即降低压缩初始压力Ρ0)的控制即可。另外，图11中，例示了负载固定为IMEP = 500kPa，仅转速变化时的控制，但即使负 载为IMEP = 500kPa以外的负载，与转速相应的控制的趋势也相同。即使为IMEP = 500kPa 以外时，与图11同样地，只要随着转速的上升，通过内部EGR来提高压缩初始温度T0，并且 视需要进行增压即可。但是，在上述情形中，须使压缩比ε ‘或压缩初始温度TO等具体控制目标值分别 不同于图10或图11的情形。例如，如果与图5对照，图9的表示发动机的高转速低负载区域 的区域U相当于区域S的右下部分，但在此运转区域，最须要提高压缩端温度Τχ，因此将有 效压缩比ε'设定为最大的18，并将内部EGR量设定为最多，以使压缩初始温度TO进一步 上升。即，在转速=IOOOrpm且无负载(IMEP = 200kPa)时的运转点R2、或转速=6000rpm 且1/3负载(IMEP = 500kPa)时的运转点R3处，如图10以及图11所示，进行内部EGR而使压缩初始温度TO上升，从而使压缩端温度Tx上升，但在发动机的高转速低负载区域(图 9的区域U)，进行比上述运转点R2及R3时更多量的内部EGR，以使压缩端温度Tx进一步上 升。借此，即使在高转速低负载区域也能够进行恰当的压缩自点火燃烧。另外，例如，如果与图5对照，图9的表示发动机的高转速高负载区域的区域V 相当于区域S的右上部分，但在此运转区域，例如与低转速且高负载的运转点Rl (转速= IOOOrpm, IMEP = 1300kPa)时相比，须将压缩端温度Tx设定为更高。故此，在高转速高负载 区域，只要将有效压缩比ε'设定为比上述运转点Rl时更大即可。即，在运转点Rl处，为 了创造出压缩端温度Tx低且压缩端压力I3X高的条件，将有效压缩比ε'降至10.5，并且 通过增压提高压缩初始压力Ρ0，但在高转速高负载区域(图9的区域V)，由于须使压缩端 温度Tx相对于上述运转点Rl时提高，因此，只要通过将有效压缩比ε'设定为高于10.5， 以使缸内进一步高温化即可。(2-4)作用效果等如以上所说明，本实施例的发动机是一种带增压器发动机，其中，几何压缩比设 定为18，并且在所有运转区域将实际空燃比相对于理论空燃比之比即空气过剩率λ设定 为λ = 2. 4，作为其运转状态沿负载方向变化时的控制，例如如图10所示，在比指定负载 (例如转速为IOOOrpm时IMEP = 500kPa)低的低负载侧，与比上述指定负载高的高负载 侧相比，通过内部EGR来降低新鲜空气量，并且提高有效压缩比ε'，而在上述高负载侧， 与上述低负载侧相比，提高增压器25的增压压力来增大新鲜空气量，并且降低有效压缩比 ε ‘。根据此种结构，具有下述优点，即能够在更广范围的负载区域进行稀薄空燃比下的压 缩自点火燃烧，从而能够更有效地提高发动机的热效率。S卩，在上述实施例中，对应于发动机负载的增大，通过增压来增大新鲜空气量，并 且降低有效压缩比ε'，借此，如图5中箭头Ala所示那样，能够降低压缩端温度Tx并且使 压缩端压力&上升，因此能够通过增压后的大量新鲜空气来充分确保发动机输出，并且降 低燃料分子与氧气分子的碰撞速度以抑制化学反应，从而能够有效地防止爆震或过早点火 等异常燃烧。另一方面，当发动机负载下降时，通过内部EGR来降低新鲜空气量，并且提高有效 压缩比ε ‘，借此，如图5中箭头似3所示那样，能够使压缩端温度Tx上升并且使压缩端压 力I3X下降，因此即使在新鲜空气较少而燃料分子与氧气分子的碰撞频度较少的状况下，也 能够通过加快分子速度来促进化学反应，从而可使混合气体可靠地自点火。通过如上所述的效果，在上述实施例中，即使不进行例如在吸入新鲜空气的过程 中强制增减其温度的操作，也能够在负载方向上更宽的范围恰当地执行稀薄空燃比下的压 缩自点火燃烧，从而能够有效地提高发动机的热效率。尤其，在上述实施例中，为了在比指定负载低的低负载侧降低新鲜空气量，而进行 使高温的已燃气体残留在燃烧室6内的内部EGR，因此不仅能够通过内部EGR来降低新鲜空 气量，而且能够提高压缩初始温度TO。因此具有下述优点，即能够高效地创造出适合于低负 载的压缩端温度Tx以及压缩端压力&的条件，从而能够在低负载侧恰当地执行稀薄空燃 比下的压缩自点火燃烧。另外，在上述实施例中，当发动机的运转状态沿转速方向变化时，例如图11所示， 相对于低转速侧，在高转速侧增大内部EGR量，以使压缩初始温度TO上升，因此如图5中箭头A3a所示那样，能够主要使压缩端温度Tx上升，从而能够加快燃料分子与氧气分子的碰 撞速度以促进化学反应。借此，即使在缸内的温度及压力高的时间(高温高压时间)变短 的高转速侧，也能够使混合气体可靠地自点火，因此能够将可进行稀薄空燃比下的压缩自 点火燃烧的转速范围扩大到更高转速侧，从而能够更有效地提高发动机的热效率。尤其，在上述实施例中，由于如图11所示那样，与由内部EGR使压缩初始温度TO 上升相应地，通过增压来提高压缩初始压力P0，因此具有下述优点，即利用增压来补偿因温 度上升引起的新鲜空气的密度下降，从而无论转速如何也能够恰当地确保发动机输出。如上所述，在本实施例的发动机中，通过利用增压或内部EGR等，对有效压缩比 ε ’、压缩初始温度TO以及压缩初始压力PO等各参数分别适当地进行控制，来创造出图5 所示的压缩端温度Tx以及压缩端压力&的条件，从而能够在所有运转区域进行恰当的压 缩自点火燃烧(混合气体以MBT自点火的燃烧)。另外，本案发明人在利用实机的确认实验中也确认到，通过以基于本实施例的条 件来控制发动机，能够在所有运转区域使混合气体在MBT附近自点火。而且，在实验中对压 缩自点火燃烧的燃烧期间也进行了调查，确认到所谓的10 90%燃烧(mass burn)的期间 (从10%质量的燃料燃烧后到90%质量的燃料燃烧为止的期间)控制在10°C A(曲柄角) 前后的燃烧期间内。这样，10 90%燃烧的期间控制在10°C A内的燃烧，与通常的基于火 花点火的燃烧相比燃烧期间短，可以期待获得更高的热效率。(2-5)其他实施例(a)增压能力有限时的对策上述实施例中，当负载一定程度增大时，例如如图10中IMEP = 500kPa以上的范 围所示，逐渐降低有效压缩比ε'并且提高增压器25的增压压力，借此，如图5的箭头Ala 所示，降低压缩端温度Τχ，并且提高压缩端压力1^，但在此种结构中，尤其在负载增大至全 负载(ΙΜΕΡ = 1300kPa)附近时，须要在使有效压缩比ε ‘相对于几何压缩比大幅降低(例 如全负载时从18降低至10. 5)的情况下，通过增压将大量的新鲜空气导入缸内。如果增压 器25的性能足够好，则此种控制也可顺利进行，但如果由于成本等方面的限制导致无法充 分确保增压器25的性能时，则料想将难以实现上述高负载区域中的控制。作为上述问题的对策，可考虑在进行增压的高负载侧的运转区域中的至少包括全 负载的部分负载区域，将通常在进气冲程中仅进行一次的燃烧喷射如图12所示那样分割 成多次。具体而言，在图12的例子中，在进气冲程中执行第一次喷射(前段喷射)Fl之后， 在压缩冲程的后半程执行第二次喷射(后段喷射)F2。这样，燃料曝露于高温高压下的时 间(高温高压时间)整体上缩短，因此即使压缩端温度Tx高至一定程度，也能够避免过早 地引起化学反应，从而防止过早点火等异常燃烧。因此，根据上述结构，无须为了降低压缩端温度Tx而极度降低有效压缩比ε'， 即使不进行相应大量的增压也能够确保足够的新鲜空气量。即，当使有效压缩比ε'相对 于几何压缩比而大幅下降时，由于进气门11的关闭时期相应地延迟，因此，要确保与负载 相应的足够的新鲜空气量，就须通过大的增压压力而在极短的期间将大量的新鲜空气导入 缸内，因而需要较高的增压能力，但根据将燃料喷射分割成多次的上述结构，由于有效压缩 比ε'的下降幅度较少即可，因此具有下述优点即使增压能力不那么高，也能够充分确 保与负载相应的新鲜空气量。
另外，当如图12所示那样进行分割喷射时，尤其是对于后段喷射F2，由于须以极 短的时间使燃料分散而气化雾化，因此较为理想的是使用例如将燃料的喷射压力设定为 IOOMPa以上的多喷口型喷射器。(b)其他在上述实施例中，通过在所有运转区域，将实际空燃比相对于理论空燃比之比亦 即空气过剩率λ —律设定为λ = 2. 4，能够充分减少因燃烧产生的NOx量(原始NOx量) 自身，即使省去NOx催化剂也能够充分满足排放标准，但如果能够设置NOx催化剂，也可以 在至少一部分的运转区域中，使空气过剩率λ小于2. 4。但是，即使设置了 NOx催化剂，要 充分满足将来可能实施的严格的排放标准，应将空气过剩率λ至少设定为2以上。如利用 图1所说明的那样，如果空气过剩率λ ^ 2，通过利用NOx催化剂来净化所生成的NOx，能 够将其排出量抑制到足够的水平。另外，在上述实施例中，将发动机的几何压缩比设为了 18，但也可以设定为除此以 外的压缩比。例如，在图5中，表示以压缩比16 18来压缩常温且大气压下的新鲜空气后 的温度及压力范围的区域W，与表示恰当的压缩自点火燃烧所需的条件的区域S相重叠，因 此一般认为，只要将几何压缩比设定为至少16以上，通过以该压缩比16为最大值来适当改 变有效压缩比ε'等，能够与上述实施例同样地在各运转区域中进行恰当的压缩自点火燃 烧。因此，只要将几何压缩比设定为至少16以上即可。另外，在上述实施例中，为了在发动机负载低或发动机转速高时，提高压缩端温度 Tx而使混合气体自点火，设置了从排气冲程到进气冲程使进排气门11、12均关闭的负重叠 期间NV0(图7)，借此进行使高温的已燃气体残留在燃烧室6的内部EGR，但进行内部EGR 的方法并不限于基于如上所述的负重叠期间NVO而实现的方法。例如，也可以在每一气缸 设有两个以上排气门12的发动机中，通过使上述排气门中的一个在进气冲程中打开，以在 该冲程中从排气通路中导回已燃气体，从而使已燃气体残留在燃烧室6内。另外，在上述实施例中，为了在发动机的所有运转区域进行混合气体自点火的压 缩自点火燃烧而对发动机进行控制，但尤其是在发动机的高转速区域，由于无法充分确保 燃料曝露于高温高压下的时间(高温高压时间)，因此当例如基于内部EGR实现的压缩端 温度Tx的上升幅度小于目标时，有引起熄火的危险。因此，也可以至少在发动机的高转速 区域，将点火形式切换为通过来自火花塞16的火花点火使混合气体强制点火的燃烧(Si燃 烧)形式，而仅在发动机的低转速区域进行压缩自点火燃烧。最后，对基于如上所述的实施方式所公开的本发明的构成以及其效果进行总结说 明。本发明的方法是控制具备将导入燃烧室的新鲜空气进行增压的增压器的带增压 器发动机的方法，其中，几何压缩比设定为16以上，至少在发动机的低转速区域，在比理论 空燃比稀薄的空燃比下进行压缩自点火燃烧，在进行上述压缩自点火燃烧的运转区域中， 在比指定负载低的低负载侧，与比上述指定负载高的高负载侧相比，降低新鲜空气量且提 高有效压缩比，而在上述高负载侧，与比上述低负载侧相比，提高上述增压器的增压压力来 增大新鲜空气量，并且降低有效压缩比。另外，本发明的装置是控制具备将导入燃烧室的新鲜空气进行增压的增压器的带 增压器发动机的装置，其中，几何压缩比设定为16以上，并且包括控制单元，该控制单元控制发动机的各部，以至少在发动机的低转速区域，在比理论空燃比稀薄的空燃比下进行压 缩自点火燃烧，上述控制单元在进行上述压缩自点火燃烧的运转区域中，在比指定负载低 的低负载侧，与比上述指定负载高的高负载侧相比，相对地降低新鲜空气量且提高有效压 缩比，而在上述高负载侧，与上述低负载侧相比，提高上述增压器的增压压力来增大新鲜空 气量，并且降低有效压缩比。根据这些发明，在将几何压缩比较高地设定为16以上的带增压器发动机中，为了 在比理论空燃比稀薄的空燃比下进行压缩自点火燃烧，而对应于发动机负载的增大，降低 有效压缩比以降低压缩端温度(点火紧前的缸内温度)，并且通过增压来增大新鲜空气量 以提高压缩端压力(点火紧前的缸内压力)，因此既能够通过被增压的大量新鲜空气来充 分确保发动机输出，还能够降低燃料分子与氧气分子的碰撞速度以抑制化学反应，从而能 够有效地防止爆震或过早点火等异常燃烧。另一方面，在发动机负载下降的情况下，通过提高有效压缩比以使压缩端温度上 升，并且减少新鲜空气量以降低压缩端压力，借此，即使在新鲜空气少而燃料分子与氧气分 子的碰撞频度少的状況下，也能够通过加快分子速度来促进化学反应，从而可使混合气体 可靠地自点火。于是，通过如上所述的效果，本发明中，例如即使不进行在吸入新鲜空气的过程中 强制增减其温度等操作，也能够在更宽的负载范围恰当地执行稀薄空燃比下的压缩自点火 燃烧，从而能够有效地提高发动机的热效率。在本发明的控制方法中，较为理想的是，在上述低负载侧，通过进行使已燃气体残 留在燃烧室的内部EGR来降低新鲜空气量。在本发明的控制装置中，较为理想的是，上述控制单元在上述低负载侧，通过进行 使已燃气体残留在燃烧室的内部EGR来降低新鲜空气量。根据这些技术方案，通过在低负载侧进行内部EGR，不仅能够降低新鲜空气量，还 能够提高压缩初始温度，因此具有下述优点，即能够高效地创造出适合于低负载的压缩端 温度以及压缩端压力的条件，从而能够在低负载侧恰当地执行稀薄空燃比下的压缩自点火燃烧。在本发明的控制方法中，较为理想的是，在进行上述压缩自点火燃烧的整个运转 区域内，将实际空燃比相对于理论空燃比之比即空气过剩率λ设定为λ >2。在本发明的控制装置中，较为理想的是，上述控制单元在进行上述压缩自点火 燃烧的整个运转区域内，将实际空燃比相对于理论空燃比之比即空气过剩率λ设定为 λ彡2。根据这些技术方案，具有下述优点，即通过在λ ^ 2这样的大幅稀薄的空燃比下 进行压缩自点火燃烧，能够有效地降低因燃烧产生的NOx的量，从而能够充分满足排放标 准。在本发明的控制方法中，较为理想的是，在上述高负载侧的至少部分负载区域执 行分割喷射，该分割喷射包括在压缩冲程后半程喷射燃料的后段喷射和在该后段喷射之前 喷射燃料的前段喷射。在本发明的控制装置中，较为理想的是，上述控制单元在上述高负载侧的至少部 分负载区域执行分割喷射，该分割喷射包括在压缩冲程后半程喷射燃料的后段喷射和在该后段喷射之前喷射燃料的前段喷射。 如这些技术方案所示，在进行将燃料喷射分割为多次的分割喷射的情况下，由于 燃料曝露于高温高压下的时间整体上变短，因此即使压缩端温度高至一定程度，也能够避 免过早地引起化学反应，从而防止过早点火等异常燃烧。因此具有下述优点，即无须为了降 低压缩端温度而大幅降低有效压缩比，即使增压能力不那么高，也能够充分确保与负载相 应的新鲜空气量。
权利要求
1.一种带增压器发动机的控制方法，其特征在于是控制具备将导入燃烧室的新鲜空气 进行增压的增压器的发动机的方法，其中，几何压缩比设定为16以上，至少在发动机的低转速区域，在比理论空燃比稀薄的空燃比下进行压缩自点火燃烧，在进行所述压缩自点火燃烧的运转区域中，在比指定负载低的低负载侧，与比所述指 定负载高的高负载侧相比，降低新鲜空气量且提高有效压缩比，而在所述高负载侧，与所述 低负载侧相比，提高所述增压器的增压压力来增大新鲜空气量，并且降低有效压缩比。
2.根据权利要求1所述的带增压器发动机的控制方法，其特征在于在所述低负载侧，通过进行使已燃气体残留在燃烧室的内部EGR来降低新鲜空气量。
3.根据权利要求1或2所述的带增压器发动机的控制方法，其特征在于在进行所述压缩自点火燃烧的整个运转区域内，将实际空燃比相对于理论空燃比之比 即空气过剩率λ设定为λ > 2。
4.根据权利要求1或2所述的带增压器发动机的控制方法，其特征在于在所述高负载侧的至少部分负载区域执行分割喷射，该分割喷射包括在压缩冲程后半 程喷射燃料的后段喷射和在该后段喷射之前喷射燃料的前段喷射。
5.根据权利要求3所述的带增压器发动机的控制方法，其特征在于在所述高负载侧的至少部分负载区域执行分割喷射，该分割喷射包括在压缩冲程后半 程喷射燃料的后段喷射和在该后段喷射之前喷射燃料的前段喷射。
6.一种带增压器发动机的控制装置，其特征在于是控制具备将导入燃烧室的新鲜空气 进行增压的增压器的发动机的装置，其中，几何压缩比设定为16以上，包括控制单元，该控制单元控制发动机的各部，以至少在发动机的低转速区域，在比理 论空燃比稀薄的空燃比下进行压缩自点火燃烧，所述控制单元在进行所述压缩自点火燃烧的运转区域中，在比指定负载低的低负载 侧，与比所述指定负载高的高负载侧相比，相对地降低新鲜空气量且提高有效压缩比，而在 所述高负载侧，与所述低负载侧相比，提高所述增压器的增压压力来增大新鲜空气量，并且 降低有效压缩比。
7.根据权利要求6所述的带增压器发动机的控制装置，其特征在于所述控制单元在所述低负载侧，通过进行使已燃气体残留在燃烧室的内部EGR来降低新鲜空气量。
8.根据权利要求6或7所述的带增压器发动机的控制装置，其特征在于所述控制单元在进行所述压缩自点火燃烧的整个运转区域内，将实际空燃比相对于理 论空燃比之比即空气过剩率λ设定为λ >2。
9.根据权利要求6或7所述的带增压器发动机的控制装置，其特征在于所述控制单元在所述高负载侧的至少部分负载区域执行分割喷射，该分割喷射包括在 压缩冲程后半程喷射燃料的后段喷射和在该后段喷射之前喷射燃料的前段喷射。
10.根据权利要求8所述的带增压器发动机的控制装置，其特征在于所述控制单元在所述高负载侧的至少部分负载区域执行分割喷射，该分割喷射包括在 压缩冲程后半程喷射燃料的后段喷射和在该后段喷射之前喷射燃料的前段喷射。
全文摘要
本发明提供带增压器发动机的控制方法以及控制装置，其中，几何压缩比设定为16以上，至少在发动机的低转速区域，在比理论空燃比稀薄的空燃比下进行压缩自点火燃烧，在进行上述压缩自点火燃烧的运转区域中，在比指定负载低的低负载侧，与比上述指定负载高的高负载侧相比，降低新鲜空气量且提高有效压缩比(ε′)，而在上述高负载侧，与上述低负载侧相比，提高增压器(25)的增压压力来增大新鲜空气量，并且降低有效压缩比(ε′)。由此，能够在无需进行强制增减新鲜空气温度的操作的情况下，在更宽范围的负载区域进行稀薄空燃比下的压缩自点火燃烧，能够更有效地提高发动机的热效率。
文档编号F02D23/02GK102135040SQ20111003751
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月26日 优先权日2010年1月27日
发明者大场秀儿, 山川正尚, 岩井浩平 申请人:马自达汽车株式会社