专利名称：内燃机的控制装置及内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的控制装置及内燃机，特别是涉及能够容易地切换分层燃烧和均质燃烧的内燃机的控制装置及内燃机。
背景技术：
在火花点火式内燃机中，公知具有使燃烧室内的混合气体的燃料浓度均匀地进行燃烧的均质运转模式和使火花塞周围的燃料浓度比其他部分的燃料浓度高地进行燃烧的分层运转模式。在均质燃烧模式下，由于在燃料与空气较好地混合的状态下进行燃烧，因此具有不完全燃烧或烟的排出较少这样的优点。其另一方面，在分层燃烧模式下，由于对混合气体的点火性较好，而且初期的火焰传播速度较快，因此具有能够抑制与燃料的点火、初期火焰传播的不良相伴的周期变动这样的优点。因而，当欲使稀薄的混合气体或被大量的排气再循环(EGR)气体稀释而成的混合气体稳定地燃烧时，使用该分层燃烧模式。另外，在火花点火式内燃机中，公知有在刚冷起动后为了尽快使催化剂活化而使点火时间(日文時期)滞后至膨胀冲程的初期的情况，在该点火滞后(日文遅角)时也是，为了使燃烧稳定也使用上述分层运转模式。这样，由于均质运转模式和分层运转模式分别具有不同的优点， 因此优选根据所需要的运转状态在均质运转模式与分层运转模式之间切换内燃机的运转模式。例如专利文献I公开了一种在气口喷射式的火花点火式内燃机中切换均质运转模式与分层运转模式的以往技术。该以往技术是以从位于两个进气口的每一个上的燃料喷射阀喷射的喷雾燃料在燃烧室的内部交叉的方式设定其喷射方向，当将燃烧方式设为均质燃烧时，在进气冲程以前喷射燃料，当将燃烧方式设为分层燃烧时，在进气冲程中喷射燃料。由此，在进气冲程中从两个燃料喷射阀喷射的喷雾燃料在燃烧室内相互撞击，燃料变细微并且抑制了燃料向燃烧室扩散，从而在燃烧室内形成了分层混合气体。另外，专利文献2公开了一种在气口喷射式的火花点火式内燃机中形成分层混合气体的另一以往技术。该以往技术是将用于分为点火部件侧通路和点火部件相反侧通路的分隔壁设置在进气口上，并且该分隔壁形成为遍及比进气门的杆靠上游侧的进气口的大致整个区域。通过如此在进气口内设置分隔壁，能够与运转条件无关地总是在燃烧室内形成分层混合气体。专利文献I :日本特开2009-216004号公报专利文献2 :日本特开平6-108951号公报但是，当在进气冲程中喷射燃料时，许多喷雾燃料经由进气门的开口部直接流入燃烧室内。一般地由于在喷雾燃料中含有各种粒径的液滴，因此当在进气冲程中喷射燃料时，粒径比较大的液滴也直接流入燃烧室内。这种粒径较大的液滴具有较强的惯性力，与燃烧室的壁面相撞击而易于形成液膜，由于在燃烧室的壁面上成为液膜的燃料难以蒸发，因此成为未燃HC或烟而排出的可能性较高。在专利文献I所公开的内燃机中，虽然通过使喷雾燃料在燃烧室内相撞击能够减少到达燃烧室壁面的液滴，但是存在有由于撞击而再次飞溅的液滴附着在壁面上这样的问题。另外，为了使喷雾燃料在燃烧室内彼此撞击，需要准确地限定燃料的喷射方向，也存在有内燃机的制作公差变严格这样的问题。而且，当在进气冲程中喷射燃料时，喷雾燃料的动作易于受到在进气冲程中产生的气流的影响，因此也存在有内燃机的转速、相对于负载的鲁棒性降低这样的问题。另外，在专利文献2所公开的内燃机中，虽然能够与运转条件无关地总是形成分层混合气体，但是不能享有已述的均质混合气体的优点。另外，通过在进气口内设置分隔壁，进气口的流量系数减小，产生了内燃机的输出降低这样的问题或内燃机的制造工时增加这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供能够一边抑制内燃机的性能降低一边容易地切换分层运转模式与非分层运转模式(均质运转模式)的内燃机的控制装置及内燃机。为了解决上述问题，本发明的内燃机的控制装置的内燃机具有气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，它们分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其中，上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点。采用上述技术方案，通过在排气冲程内从燃料喷射阀向比两个进气门的中心靠连接上述两个进气门的中心的线段的中点喷射燃料，许多燃料液滴漂浮在进气门的气缸中心侧的表面附近。在此，当从喷射结束时间到进气上止点的期间较长时，漂浮液滴分散在进气门的整个表面上。当在该状态下打开进气门开始进气冲程时，燃料液滴在燃烧室内均匀地分散而形成了均质混合气体。另一方面，当推迟喷射结束时间而缩短从喷射结束时间到进气上止点的期间时，在漂浮液滴分散于进气门整个表面上之前开始进气冲程，更多的燃料液滴从进气门的气体中心侧的开口部进入燃烧室内，因此形成了分层混合气体。这样，通过在进气冲程开始之前喷射燃料，粒径比较大的液滴附着在进气门上，粒径比较小的液滴选择性地在进气冲程流入，能够抑制成为未燃HC或烟排出的原因的燃料向燃烧室壁面的附着。根据以上说明可知，采用本发明，能够根据燃料喷射时间容易地切换均质混合气体与分层混合气体的形成。另外，不需要进气口内的附加的分隔壁等，并且能够抑制内燃机的输出或燃烧消耗率的降低、内燃机制造工时的增大。上述说明以外的问题、结构及效果通过以下实施方式的说明来进行明确。
图I是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例I的内燃机整体的纵剖视图。图2是图I所示的内燃机的燃料喷射部分的放大上部俯视图。图3是表示图2所示的燃料喷射阀的燃料喷射方向的图。图4是说明从图2所示的燃料喷射阀喷射的喷雾燃料的流量通量分布的图，(a)是说明从燃料喷射阀喷射的喷雾燃料的定义的图，(b) (d)分别是说明喷雾燃料的每种形态的流量通量分布的等高线图。图5是表示图I所示的内燃机的周期与进气门及排气门的打开时间的关系的图。图6是图I所示的内燃机起动后的控制流程图。图7是按时间顺序表示基于图6所示的控制流程的控制操作的推移的图。图8是表示基于图6所示的控制流程的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(a)是表不暖机模式时(分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(b)是表不暖机模式结束时(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。图9是表示实施例I的暖机模式时(分层运转模式)的喷雾燃料的形态的图，(a) 是表示进气上止点的喷雾燃料的形态的图，(b)是表示进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。图10是从排气侧观察图9的(a)所示的喷雾燃料的形态的示意图。图11是示意性表示图I所示的内燃机的、从进气冲程到压缩冲程的燃烧室内的空气流动的立体图。图12是示意性表示图I所示的内燃机的、暖机模式时(分层运转模式)的燃料点火时间的燃烧室内的混合气体分布的立体图。图13是表示实施例I的暖机模式结束时(非分层运转模式)的喷雾燃料的形态的图，(a)是表示燃料喷射结束与进气上止点的中间时间的喷雾燃料的形态的图，(b)是表示进气上止点的喷雾燃料的形态的图，(C)是表示进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。图14是从排气侧观察图13的(a)所示的喷雾燃料的形态的示意图。图15是表示图13的(b)中的进气门附近的空气流动的立体图。图16是表示斯托克斯数与燃料的壁面附着率的关系的图。图17是表示斯托克斯数为I时的、燃料喷射速度与索特(日文#'々夕)平均粒径的关系的图。图18是表示适合于实施例I的燃料喷射阀的喷嘴前端部的形态的纵剖视图。图19是图18的B-B向视图，是说明节流板(日文才U 7 < > —卜)与燃料的流动的图。图20是说明从图18所示的喷口喷射的液膜的纵剖视图。图21是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例2的内燃机的燃料喷射部分的放大上部俯视图。图22是说明喷雾燃料的形态的图，(a)是说明喷雾燃料的中心轴线的图，(b)是说明喷雾燃料的流量通量分布的等高线图，(C)是说明(b)所示的流量通量的累积的图。图23是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例3的内燃机的燃料喷射部分的放大上部俯视图。图24是说明图23所示的燃料喷射阀的喷射锥形角的图。图25是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例4的内燃机的、EGR量相对于转速和扭矩的设定的图。图26是实施例4中的EGR运转时的控制流程图。图27是说明实施例4中的分层运转模式与非分层运转模式相对于EGR阀开度与节流阀开度的设定区域的图。图28是表示实施例4的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(a)是表示图27所示的A点(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(b)是表示B点(分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。图29是说明实施例4中的分层运转模式与非分层运转模式相对于EGR阀开度与节流阀开度的设定区域的图。图30是表示实施例4中的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(a)是表示图29所示的C点(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(b)是表示D点(分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(c)是表示E点(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。图31是表示进气门与排气门相对于内燃机的冲程的开闭时机的图，(a)是表示适合于分层运转模式的进气门与排气门的开闭时刻的图，(b)是表示适合于非分层运转模式的进气门与排气门的开闭时机的图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的内燃机的控制装置的实施方式。实施例I首先，参照图I 图22详细说明本发明的内燃机的控制装置的实施例I。图I及图2是表示应用了上述实施例I的内燃机的基本结构的图，图I表示该内燃机整体的纵剖视图，图2表示内燃机的燃料喷射部分的示意性放大上部俯视图。另外，在以下所述的实施例I 4中，抽出内燃机所具有的单个气缸进行说明，但是这些实施例能够应用于单气缸及多气缸内燃机。图I所示的内燃机I具有气缸体2、气缸盖9、插入气缸体2中的活塞3，由该气缸体2和气缸盖9形成了内燃机I的气缸11，并且在气缸11内形成有燃烧室4。另外，形成有进气口 5和排气口 6，该进气口 5和排气口 6与气缸11相连接，经由气缸11的气缸盖9 的进气开口部12和排气开口部13向燃烧室4开口并与该燃烧室4流体连通。而且，用于分别使该进气开口部12和排气开口部13开闭的两个进气门7和排气门8(参照图2)配置在气缸盖9的进气口 5和排气口 6内。另外，利用未图示的可变气门正时机构(VTC)能够改变该进气门7的打开时间、关闭时间。而且，从内燃机I所具有的燃料喷射阀20沿喷射方向L20喷射到进气口 5内的燃料F，在进气门7打开时经由进气开口部12从进气口 5向燃烧室4供给。另外，在进气口 5的上游部，设有用于调整流入燃烧室4内的空气的量的节流阀26 和用于检测空气流量的空气流量计27。而且，排气口 6和进气口 5借助于EGR管(Exhaust Gas Recirculation :排气再循环装置)28相连接，排气口 6的一部分排气通过EGR管28返回进气口 5内。另外，利用EGR阀29的开度来调整在EGR管28内流动的排气流量。另外，在排气口 6的下游部设有催化剂转换器23。在此，催化剂转换器23是在氧化铝、氧化铈等载体上涂布了钼、钯等的三元催化剂系统，利用排气中的一氧化碳(CO)、未燃碳化氢(He)的氧化反应和氮氧化物(NOx)的还原反应能够同时减少这三种有害成分。 另外，为了利用催化剂转换器23高效率地净化上述排气，需要将催化剂温度设为活化温度(例如2500C )以上。内燃机控制单元(ECU)21主要由微型计算机和读出专用存储器(ROM)构成，通过执行存储在ROM内的内燃机控制程序，能够控制燃料喷射阀20的燃料喷射时间、燃料喷射量、火花塞10的点火时间、节流阀26的开度、EGR阀29的开度、VTC相位角等。另外，E⑶21 读入由冷却水温度传感器25检测出的内燃机的冷却水温度、由催化剂温度传感器24检测出的催化剂温度、由空气流量计27检测出的空气流量、未图示的油门踏板的踏入量等，这些读入信息被用于燃料喷射阀20的燃料喷射时间、燃料喷射量、火花塞10的点火时间、节流阀26的开度、EGR阀29的开度、VTC相位角等的控制中。另外，如图2所示，在实施例I中，在分支进气口(进气通路)5A、5B的上游侧，在该分支进气口 5A、5B—体而成的进气口 5上配置有两个燃料喷射阀20A、20B。而且，燃料喷射阀20A配置在能够朝向进气开口部12A的进气门7A喷射燃料的位置，燃料喷射阀20B配置在能够朝向进气开口部12B的进气门7B喷射燃料的位置，在燃烧室4的中心上部设有火花塞10。即，从燃料喷射阀20A喷射的喷雾燃料FA的喷射方向L20A指向进气门7A方向， 从燃料喷射阀20B喷射的喷雾燃料FB的喷射方向L20B指向进气门7B方向。另外，以从燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB的液滴的粒径充分地缩小的方式(例如，索特平均粒径SMD成为20 μ m左右)来确定燃料喷射阀20A、20B的喷嘴形状、燃料喷射压力。另外，在进气门7A、7B的中心部分别设有用于使该进气门7A、7B能够沿轴向移动的进气门杆 7SA、7SB，并且在燃料喷雾方向在进气门7A、7B的下游侧设有与进气门7A、7B相同数量的排气门8A、8B。接着，参照图3及图4，更具体地说明由燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料的喷射方向与喷雾形态。图3是示意性表示两个进气门7A、7B与从两个燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB的位置关系的图。在图示的实施例I中，当将连结两个进气门7A、7B的中心7AC、 7BC的线段的中点设为C时，以喷雾燃料FA的中心轴线L20A穿过比进气门7A的中心靠中点C侧大概仅R/2 (R为进气门7A的半径)的点TA的方式安装有燃料喷射阀20A，而且，以喷雾燃料FB的中心轴线L20B穿过比进气门7B的中心靠中点C侧大概仅R/2 (R为进气门 7B的半径)的点TB的方式安装有燃料喷射阀20B。另外，只要燃料喷射阀20A、20B以燃料喷射阀20A、20B的喷射方向L20A、L20B比对应的进气门7A、7B的中心7AC、7BC朝向中点C 侧的方式安装在内燃机I上，就能够获得与以下所述的效果相同的效果。图4是表示从燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料F的例子的图，图4的(a)是说明从燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料F的定义的图，(b) (d)分别是表示喷雾燃料F的图4(a) 中的A-A向视图的燃料流量通量(每单位面积的燃料流量)分布的例子的图。在此，A-A截面是指将燃料喷射阀20安装在内燃机I上时的、从燃料喷射阀20的喷嘴到进气门7表面的距离的截面位置，例如是喷嘴下方50mm IOOmm的截面。如图4的(a)所示，喷雾燃料F从燃料喷射阀20以喷雾锥形角Θ的角度喷射，在 A-A截面上具有宽度W。图4的(b)是表示该喷雾燃料F的形态的一个例子的图，在A-A截面上，在喷雾燃料F的中心获取流量的极大值，从中心朝向半径方向外侧直到直径W，流量呈同心圆状降低。另外，A-A截面上的喷雾燃料的截面形状并不限定于这种正圆，例如如图 4的(c)所示，喷雾截面形状也可以是椭圆形状。另外，如图4的(d)所示，也可以是在喷雾截面内具有多个流量极大值的分布。另外，虽未图示，但是也可以像中空空心锥形喷雾那样，是喷雾燃料的中央部的流量通量小于周缘部的流量通量的喷雾形态。而且，优选图4的 (a)所示的喷雾锥形角Θ设定为进气门位置处的喷雾宽度W与进气门的半径R大致相等 (参照图3)。在此，内燃机I是如图5所示的四冲程内燃机，进气、压缩、膨胀、排气的各个冲程每隔曲柄角180°进行切换。在代表性的运转条件下(例如在暖机完成后的低负载条件时)，进气门7在进气冲程开始时打开，在压缩冲程的初期关闭。另外，排气门8在膨胀冲程后期打开，在排气冲程末期关闭。在该内燃机I中，燃料F主要在排气冲程中喷射，点火主要在压缩冲程的后期进行。另外，来自燃料喷射阀20的燃料喷射量根据喷射时间(Ti)进行调整。即，燃料喷射量与Ti大致成比例，当燃料喷射量较少时，Ti缩短，当燃料喷射量较多时，Ti增长。例如当全负载运转时等的燃料喷射量较多时，有时Ti未在排气冲程内结束，即使从燃料喷射阀20开始喷射的时间在排气冲程内，喷射结束时间也在进气冲程内。另外，该喷射开始时间未必限于排气冲程内，有时也设定在压缩冲程或膨胀冲程内。这样，当将喷射开始时间设定在压缩冲程或膨胀冲程内时，与在排气冲程内开始喷射燃料的情况相比，燃料F从喷射到流入燃烧室4内的期间相对增长，因此能够促进进气口 5内的燃料F的气化、混合。另外，当主要在排气冲程中喷射燃料F时，能够利用进气门7的热量来促进燃料F 气化，能够防止喷雾燃料F附着燃烧室4内的壁面上。但是，当在进气门7打开的进气冲程中喷射燃料F时，喷雾燃料F通过进气门7的进气开口部12直接流入燃烧室4内，该喷雾燃料F附着在燃烧室4内的壁面上。特别是在喷雾燃料F中粒径比较大的液滴的惯性力较大，当在进气冲程中喷射燃料F时，易于附着在燃烧室4内的壁面上。另外，当在进气冲程中喷射燃料时，借助于通过进气口 5流入燃烧室4内的空气的流动，喷雾燃料F的速度被加速，因此易于附着在燃烧室4内的壁面上。这样，当喷雾燃料F附着在燃烧室4内的壁面上时，有可能未燃碳化氢(HC)或烟的排出量增大，或者燃烧室4内表面的润滑油被燃料F稀释而使活塞3划伤。接着，参照图6及图7说明利用ECU21内的控制程序执行的内燃机I起动后的控制顺序。图6是表示利用ECU21执行的内燃机I起动后的控制流程的图。首先，使内燃机 I起动(S601)。通过利用启动机等使内燃机I的曲轴(未图示)以规定的速度旋转、向进气口 5内喷射规定量的燃料F来进行内燃机I的起动。接着，ECU21根据催化剂温度传感器24的输出读入催化剂温度Tc(S602)，将催化剂温度Tc与预先设定的温度Ta进行比较 (S603)。在此，Ta是用于判断三元催化剂的活化状态的温度，例如设定为250°C。当催化剂温度Tc低于Ta时，E⑶21判断为三元催化剂未活化，以暖机模式使内燃机I运转(S604)， 并且返回S602。另外，当催化剂温度Tc高于Ta时，E⑶21判断为三元催化剂已活化，实施非暖机切换(S605)，并且之后以非暖机模式使内燃机I运转(S606)。另外，关于是否是暖机模式的判断，除了使用催化剂温度Tc以外，也可以使用内燃机I的冷却水温或排气温度。例如，也可以在内燃机I的冷却水温或排气温度低于预先设定的温度时设为暖机模式，在内燃机I的冷却水温或排气温度高于预先设定的温度时实施非暖机切换。
另外，也可以使用从内燃机I起动经过的时间来实施是否是暖机模式的判断。例如，也可以在经过时间短于预先设定的规定时间时设为暖机模式，在经过时间超过预先设定的规定时间时实施非暖机切换。在此，上述规定时间也可以根据内燃机I起动时的冷却水温或进气温度来确定。图7是表示从内燃机I起动到非暖机模式的油门操作(踏入)量、与该油门操作对应的内燃机I的状态、基于图6所示的控制流程的控制操作的推移的一个例子的图。在本实施例I中，使用图7，在时刻h使内燃机I起动，在维持无油门踏入(油门关闭)直至时刻tQ &后，设想在时刻&踏入油门恒定量(油门打开)时的内燃机I的运转状态，说明此时的内燃机扭矩、催化剂温度Tc、燃料喷射结束时间、燃料的点火时间的时间推移的一个例子。在催化剂温度Tc低于活化判断温度Ta的时刻、 t1;内燃机I以暖机模式运转。 而且，在催化剂温度Tc超过活化判断温度Ta的时刻h t2，内燃机I实施非暖机切换，在时刻t2暖机模式结束。因而，在时刻t2以后，内燃机I以非暖机模式运转。图8是表示基于图6所示的控制流程的、暖机模式时(时刻h U及暖机模式结束时(时刻t2)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，图8的(a)是表示暖机模式时的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，图8的(b)是表示暖机模式结束时的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。另外，如下所述，可以将暖机模式时称作分层运转模式，将暖机模式结束时称作非分层运转模式。在图8(a)所示的暖机模式时(时刻、 &)，燃料喷射Til的喷射结束时间 Θ-ITl被设定在排气冲程的后期(例如进气上止点前10° )。另外，暖机模式时的点火时间Θ-IGl被设定在压缩冲程的上止点以后(例如压缩上止点后10° )。这样，在暖机模式时通过将点火时间设在压缩冲程的上止点以后，能够推迟燃烧的热量产生时间并提高排气温度，能够迅速地进行催化剂的升温、抑制刚冷起动后的排气有害成分的排出。在图8的(b)所示的暖机模式结束时(时刻t2)，燃料喷射Ti2的喷射结束时间 Θ -IT2被设定在比暖机模式时(时刻h 的喷射结束时间Θ -ITl靠提前(日文進角)侧的排气冲程内(例如进气上止点前90° )。另外，暖机模式结束时的点火时间Θ -IG2 被设定在最高扭矩产生点火时间(MBT)。点火时间0-IG2通常处于压缩冲程的后期，例如被设定在压缩上止点前10°。在此，暖机模式结束时的燃料喷射量被设定为内燃机扭矩与暖机模式时相同。另外，显而易见，当然暖机模式结束时的燃料喷射结束时间Θ-ΙΤ2并不限定在排气冲程内，也可以在压缩冲程或膨胀冲程内，此时的喷射结束时间Θ-ΙΤ2比暖机模式时的喷射结束时间Θ -ITl提前。在此，若比较图8的(a)与图8的(b)，则暖机模式结束时的燃料喷射时间Ti2相对短于暖机模式时的燃料喷射时间Til。这是由于在暖机模式结束时如上所述内燃机I以 MBT运转、与使点火时间比MBT滞后了的暖机模式相比燃烧消耗率较好、因此所需燃料喷射量减少而引起的。另外，在图8的(a)与图8的(b)之间的非暖机切换(时刻& t2)中，燃料喷射结束时间从图8的(a)所示的Θ -ITl朝向图8(b)所示的Θ -IT2平滑地提前，点火时间也从Θ-ITl朝向Θ-ΙΤ2平滑地提前。另外，根据燃料喷射时间或点火时间的变化适当地调整非暖机切换时的燃料喷射量以维持暖机模式时的内燃机扭矩。通过这些调整，有效地防止了从暖机模式向暖机模式结束转移时的扭矩级差的产生。如上所述，在本实施例I中，以喷雾燃料F朝向两个进气门7的内侧的方式设定燃料喷射阀20及喷射方向L20，并且将暖机模式时的燃料喷射阀20的喷射结束时间Θ -ITl 设定在排气冲程内，并且设定为相对于暖机模式结束时的燃料喷射阀20的喷射结束时间 Θ -IT2靠滞后一侧。以下，说明通过如此限定燃料喷射方向L20、在暖机模式与暖机结束时改变喷射时间带来的作用和效果。首先，图9是表示实施例I中的暖机模式时的喷雾燃料的形态的图，图9的(a)是表示进气上止点的喷雾燃料的形态的图，图9的(b)是进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。如图9的(a)所示，在进气上止点，从燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB 分别通过分支进气口 5A、5B比进气门7A、7B的中心(进气门杆7SA、7SB的中心)朝向内侧 (中点C侧)。在暖机模式时，由于燃料喷射的结束时间Θ -ITl被设定在排气冲程后期(参照图8的(a))，因此从喷射结束到进气上止点的时间较短，喷雾燃料FA、FB偏向进气门7A、 7B的内侧分布。如图10所示，当从内燃机I的排气侧观察图9的(a)中的喷雾状态时，喷雾燃料FA、FB的粒径较小(例如索特平均粒径为20 μ m)，因此所喷射的喷雾燃料FA、FB在从分支进气口 5A、5B内的空气受到的阻力的作用下，其速度衰减。而且，在所喷射的喷雾燃料FA、FB中粒径比较大的大尺寸液滴A、大尺寸液滴B由于液滴的惯性力较强而附着在进气门7A、7B的表面上。其另一方面,粒径比较小的小尺寸液滴A、小尺寸液滴B由于液滴的惯性力较弱而未与进气门7A、7B相撞击，而是乘着从进气门7A、7B表面上卷的气流FL1A、 FLlB在进气门7A、7B的表面附近漂浮。在此，气流FL1A、FL1B是因喷雾燃料FA、FB与分支进气口 5A、5B内的空间之间的摩擦而产生的空气流。接着，如图9的(b)所示，在进气冲程的初期，图9的(a)所示的偏向进气门7A、7B 的内侧漂浮的液滴FA、FB通过进气开口部12A、12B的进气门7A、7B的内侧的开口部流入燃烧室4内。在此,如上所述,喷雾燃料FA、FB中粒径比较大的大尺寸液滴A、大尺寸液滴B由于附着在进气门7A、7B的表面上而未流入燃烧室4内，惯性力较弱的粒径比较小的小尺寸液滴A、小尺寸液滴B流入燃烧室4内。其结果，进入燃烧室4内的液滴难以附着在燃烧室 4的壁面上。其另一方面，如图9的(a)所示，由于在进气门7A、7B的外侧未存在有燃料液滴，因此通过进气开口部12A、12B的进气门7A、7B的外侧的开口部流入燃烧室4内的液滴几乎不存在。其结果，在该进气冲程初期，在靠燃烧室4的中心(火花塞10附近)存在有许多燃料液滴。图11是表示从进气冲程到压缩冲程的燃烧室4内的代表性的空气流动的图。如图所示，在燃烧室4内，利用从进气门7A、7B的开口部流入的空气流产生了纵向涡(也称作滚流)TFA、TFB。由于纵向涡TFA、TFB几乎没有沿着其旋转轴TC的方向的气体速度成分， 因此，集中在靠燃烧室4中央的喷雾燃料和由该喷雾燃料气化而得到的燃料蒸气，几乎未向燃烧室4的外侧(纵向涡的旋转轴TC方向)分散，在压缩冲程的后期也留在燃烧室4的中央部。其结果，如图12所示，在作为该暖机模式时的点火时间的膨胀冲程(压缩冲程后的冲程)的初期，火花塞10周围的燃料浓度与其他部分的浓度相比也相对增高，形成了所谓的分层混合气体，由此，对混合气体的点火性较好，即使将点火时间推迟至膨胀冲程的初期也能够进行周期变动较少的稳定的燃烧。另外，如上所述，由于燃料难以附着在燃烧室4的壁面上，因此能够有效地抑制未燃HC或烟的排出。相对于图9所不的暖机模式时，图13是表不实施例I中的暖机模式结束时的喷雾燃料的形态的图，图13的(a)是表示燃料喷射结束与进气上止点的中间时间的喷雾燃料的形态的图，图13的(b)是表示进气冲程上止点的喷雾燃料的形态的图，图13的(C)是表示进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。如图13的(a)所示，在燃料喷射结束与进气上止点的中间左右的时间，从燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB分别通过分支进气口 5A、5B比进气门7A、7B的中心 (进气门杆7SA、7SB的中心)朝向内侧(中点C侧)，喷雾燃料FA、FB偏向进气门7A、7B的内侧分布。在此，与暖机模式时一样，粒径比较小的喷雾燃料未附着在进气门7A、7B的表面上而是在进气门7A、7B的表面附近漂浮。在暖机模式结束时，由于燃料喷射的结束时间被设定在比暖机模式时靠提前一侧(参照图8的(b))，因此从喷射结束到进气上止点的时间与暖机模式相比相对延长。因而，如图13的(b)所示，在进气上止点，偏向进气门7A、7B的内侧漂浮的燃料液滴分散在进气门7A、7B的整个表面上。S卩，如图14所示，当从内燃机I 的排气侧观察图13的(a)中的喷雾状态时，由喷雾产生的气流FL1A、FL1B撞击进气门7A、 7B的表面，从而撞击部分的气体压力上升。图15是表示图13的(b)所示的进气上止点附近的进气门7A、7B表面的气流的图，如上所述，进气门7A、7B的内侧的气体压力上升，从而生成了从进气门7A、7B的内侧朝向外侧的气流FL2A、FL2B,借助于该气流FL2A、FL2B,在进气门7A、7B的内侧漂浮的燃料液滴FA、FB沿着进气门7A、7B的表面被分别向进气门7A、7B 的外侧运送，燃料液滴在进气上止点分散在进气门7A、7B的整个表面上。接着，如图13的(C)所示，在进气冲程的初期，在进气门7A、7B的表面附近漂浮的液滴FA、FB从进气门7A、7B打开的进气开口部12A、12B大致均匀地流入燃烧室4内。这样， 喷雾燃料FA、FB大致均匀地流入燃烧室4内，从而在进行点火的压缩冲程的后期，在燃烧室 4内形成了燃料浓度偏差较小的非分层混合气体。该非分层混合气体与分层混合气体相比， 燃料与空气(氧气)更好地混合在一起，因此燃料的燃烧残留较少，能够进行效率较高的燃烧。另外，由于未产生局部的燃料变浓，因此抑制了烟或未燃HC的排出、爆燃的产生。这样，在本实施例I中，在暖机模式下通过在进气门7A、7B的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散之前进行进气，能够在火花塞10周围形成分层混合气体，并且在暖机模式结束时，进行进气直等到在进气门7A、7B的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门 7A、7B上，从而能够容易地在燃烧室4内形成非分层混合气体。但是，当喷射到进气口 5内的燃料液滴很多附着在进气门7、进气口 5的壁面上时， 难以如上述那样改变喷射时间并容易地切换分层混合气体的形成与非分层混合气体的形成。这是以下情况引起的，即，由于附着在壁面上的燃料的移动速度极其慢，因此即使将燃料喷射时间设定得较早也不能够使附着的燃料分散在整个进气门7上，而且，当燃料的壁面附着量较多时，在进气门7表面附着漂浮的液滴减少，因此即使将燃料喷射时间设定得较早，分散在整个进气门7上的燃烧量也减少。即，在这种情况下，在进气门7打开时，与燃料的喷射时间无关地在进气门7的内侧附近存在有许多燃料，从而难以在燃烧室4内形成非分层混合气体。因而，为了有效地获得通过在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散之前进行进气而在火花塞10周围形成分层混合气体、并且通过进行进气直等到在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上而在燃烧室4内形成非分层混合气体这样的作用，优选使更多量的液滴在进气门7表面附近漂浮。在此，所喷射的喷雾燃料向壁面的易附着性利用式(I)所定义的斯托克斯数St表
权利要求
1.一种内燃机的控制装置，该内燃机具有气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，它们分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其特征在于，上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点，上述控制装置以至少在排气冲程内使燃料喷射结束的分层运转模式和在从压缩冲程到排气冲程之间使燃料喷射结束的非分层运转模式来控制上述燃料喷射阀的喷射时间，上述分层运转模式中的上述燃料喷射阀的喷射结束时间相对晚于上述非分层运转模式中的上述燃料喷射阀的喷射结束时间，该非分层运转模式中的该燃料喷射阀的燃料喷射时间与该分层运转模式中的该燃料喷射阀的燃料喷射时间相同或短于该分层运转模式中的该燃料喷射阀的燃料喷射时间。
2.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述燃料喷射阀有两个，从两个该燃料喷射阀分别向不同的进气通路内喷射上述燃料。
3.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述燃料喷射阀从该燃料喷射阀向两个喷射方向喷射喷雾燃料，向上述两个喷射方向喷射的喷雾燃料分别供给到不同的进气通路内。
4.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述燃料喷射阀具有从该燃料喷射阀所具有的多个喷口喷射回旋的燃料的喷射喷嘴。
5.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，当将从燃料喷射阀喷射的喷雾燃料在喷口处的轴向平均速度设为V、将索特平均粒径设为d、将从喷口到进气门的距离设为L、将液相燃料密度设为P、将空气粘性系数设为μ时，由它们定义的斯托克斯数St =P d2V/(18 μ L)为 I 以下。
6.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，当点火时间在压缩冲程上止点以后时，以分层运转模式控制上述燃料喷射阀。
7.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在内燃机暖机时成为分层运转模式，并且使点火时间在压缩冲程上止点以后，在内燃机暖机结束时成为非分层运转模式，并且使上述点火时间早于压缩冲程上止点。
8.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，当上述内燃机的冷却水温度、排气温度、催化剂温度中的至少任意一个温度低于规定的温度时成为分层运转模式，并且使点火时间在压缩冲程上止点以后，当上述内燃机的冷却水温度、排气温度、催化剂温度中的至少任意一个温度超过规定的温度时向非分层运转模式转移，并且使上述点火时间早于压缩冲程上止点。
9.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在上述气缸的燃烧室内的 EGR率高于规定的EGR率的一侧至少设置分层运转模式，在上述气缸的燃烧室内的EGR率低于规定的EGR率的一侧至少设置非分层运转模式。
10.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述内燃机的控制装置还具有设置在上述两个进气通路的上游部的节流阀和用于调整在连接上述两个进气通路与排气通路的EGR管内流动的排气流量的EGR阀，当上述节流阀的开度恒定时，在上述EGR阀的开度大于规定的开度的一侧至少设置分层运转模式，在上述EGR阀的开度小于规定的开度的一侧至少设置非分层运转模式。
11.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述内燃机的控制装置还具有设置在上述两个进气通路的上游部的节流阀和用于调整在连接上述两个进气通路与排气通路的EGR管内流动的排气流量的EGR阀，当上述EGR阀的开度恒定时，在上述节流阀的开度小于规定的开度的一侧至少设置分层运转模式，在上述节流阀的开度大于规定的开度的一侧至少设置非分层运转模式。
12.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在上述分层运转模式下， 使上述进气门的打开开始时间在进气上止点以后。
13.根据权利要求I所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在上述分层运转模式下， 使上述进气门的打开开始时间在进气上止点以后，在上述非分层运转模式下，使上述进气门的打开开始时间在进气上止点以前。
14.一种内燃机的控制装置，该内燃机具有气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，它们分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其特征在于，上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点，上述控制装置通过将在进气上止点前燃料喷射结束的同一喷射持续时间或同一喷射量的燃料喷射阀的喷射结束时间切换为排气冲程的后期和比该排气冲程的后期提前了的时间，从而控制上述燃料喷射阀的喷射时间。
15.根据权利要求14所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在使上述燃料喷射阀的喷射结束时间在排气冲程的后期时，使上述进气门的打开开始时间在排气门的关闭时间以后。
16.根据权利要求15所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在使上述燃料喷射阀的喷射结束时间在比该排气冲程的后期提前了的时间时，使上述进气门的打开开始时间早于上述排气门的关闭时间。
17.一种内燃机，其具有气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，其分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其特征在于，上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点。
18.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，上述燃料喷射阀有两个，从两个该燃料喷射阀分别向不同的进气通路内喷射上述燃料。
19.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，上述燃料喷射阀从该燃料喷射阀向两个喷射方向喷射喷雾燃料，向上述两个喷射方向喷射的喷雾燃料分别供给到不同的进气通路内。
全文摘要
本发明提供一种在孔口喷射式火花点火式内燃机中能够容易地切换分层运转模式与非分层运转模式的内燃机的控制装置。使从燃料喷射阀(20)喷射的喷雾燃料(F)的喷射方向(L20)比两个进气门(7A、7B)的中心朝向气缸(11)的中心侧，以在排气冲程内使燃料喷射结束的分层运转模式和从压缩冲程到排气冲程内使燃料喷射结束的非分层运转模式来控制燃料喷射阀(20)的喷射时间，使分层运转模式时的燃料喷射阀(20)的喷射结束时间晚于非分层运转模式时的喷射结束时间，该非分层运转模式时的燃料喷射时间与分层运转模式时的燃料喷射时间相同或短于分层运转模式时的燃料喷射时间。
文档编号F02D13/02GK102606329SQ20121001333
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月17日 优先权日2011年1月24日
发明者助川义宽, 村上智之, 猿渡匡行, 神田高辅 申请人:日立汽车系统株式会社