直喷式汽油发动机的控制装置的制造方法
【专利摘要】发动机包括发动机机体、燃料喷射器以及控制燃料喷射量和燃料喷射器的喷射方式的控制部。控制部对燃烧室内的温度状态进行预测，并且即使为同一燃料喷射量，也让预测到的温度高时在燃烧室内形成的混合气层的体积大于预测到的温度低时在燃烧室内形成的混合气层的体积。
【专利说明】
直喷式汽油发动机的控制装置
技术领域
[0001 ]这里所公开的技术涉及一种直喷式汽油发动机的控制装置。
【背景技术】
[0002]专利文献I中记载了以下内容:在自行压燃式发动机中，通过由绝热材料形成划分燃烧室的壁面来减少燃烧室的壁面的冷却损失。热效率会由于冷却损失的减少而提高。
[0003]专利文献2中记载了向发动机的燃烧室内喷射燃料的外开阀式燃料喷射器。在外开阀式燃料喷射器中，喷射燃料的喷嘴口的有效截面面积通过改变阀体的移动量而变化。专利文献3中记载了阀盖孔(VC0:Valve Covered Orif ice)喷嘴式燃料喷射器。VCO喷嘴式燃料喷射器构成为:针阀直接落在喷嘴口敞开的阀座部(seat)而将喷嘴口关闭。VCO喷嘴式燃料喷射器中，产生在喷嘴口的内周面上的气穴(cavitat1n)区域的大小根据针阀的移动量而变化。其结果是，和外开阀式燃料喷射器一样，VCO喷嘴式燃料喷射器中喷嘴口的有效截面面积也根据针阀的移动量而变化。
[0004]专利文献4中记载了以下内容:在包括布置在气缸中心轴上且将燃料锥状地喷射出来的外开阀式燃料喷射器的发动机中，通过在压缩行程的后期向气缸内喷射燃料，而在燃烧室内形成混合气层及其周围的气层(含新气的气层)。在该专利文献4所记载的发动机中，在混合气燃烧时，让混合气层周围的气层起绝热层的作用以减少冷却损失。专利文献4中还记载有以下内容:在继续喷射燃料的途中改变外开阀的移动量，由此相对于燃料的喷射方向将燃料浓度均质化。
[0005]专利文献I:日本公开专利公报特开2009-243355号公报
[0006]专利文献2:日本公开专利公报特开2008-151043号公报
[0007]专利文献3:日本专利第4194564号公报
[0008]专利文献4:日本公开专利公报特开2013-57266号公报
【发明内容】
[0009]-发明要解决的技术问题_
[0010]为谋求NOx排出的减少和未燃物质排出的减少，需要让燃烧温度落在规定的范围内(例如1500-1800K)。也就是说，燃烧温度过低时，未燃物质增加，排出量增大。另一方面，燃烧温度过高时，生成NOx，排出量增大。
[0011]但是，进气温度低时，或者，气缸内壁面的温度低时，气缸内的温度状态就低。如果气缸内的温度状态，更准确地讲，活塞到达压缩上止点时气缸内的温度(下面，有时候将该温度称为压缩上止点温度)变低，燃烧稳定性就会下降，未燃物质的排出量就会增加。可以考虑采取以下措施:通过进行例如进气阀的滞后关闭等，即，将进气阀的关闭时刻推迟到进气下止点以后等，来减少引入气缸内的进气量。但是，进气阀的滞后关闭将导致有效压缩比降低，故从热效率的观点来看，进气阀的滞后关闭是不利的。
[0012]进气温度高时或者气缸内壁面的温度高时，气缸内的温度状态就高。这将导致燃烧温度上升而生成NOx。可以考虑采取例如将已冷却的废气引入气缸内这样的措施来降低燃烧温度。但是，废气的回流将导致气缸内气体的比热比减小，故从热效率的观点来看，废气的回流是不利的。
[0013]就这样，在为了良好地维持废气排放性能而使燃烧温度落在规定的温度范围内时，在某些进气温度、气缸内壁面的温度状态下，燃烧温度会偏离规定的温度范围。此时，则要求能有一种在不导致热效率降低的情况下就能够对燃烧温度进行调节的方法。
[0014]这里公开的技术正是为解决上述问题而完成的。其目的在于:在不导致热效率降低的情况下就能够对燃烧温度进行调节。
[0015]-用于解决技术问题的技术方案_
[0016]这里所公开的技术以一种直喷式汽油发动机的控制装置为对象。其包括:发动机机体，其具有设置在气缸内的活塞且构成为由该气缸和该活塞划分出燃烧室，燃料喷射器，其构成为:经喷口向所述燃烧室内喷射至少含有汽油的燃料，以及控制部，其根据所述发动机机体的工作状态对向所述燃烧室内喷射的燃料喷射量和所述燃料喷射器的喷射方式分别进行控制。
[0017]所述控制部对所述燃烧室内的温度状态进行预测，并且对所述燃料喷射器的喷射方式进行控制，以便做到:即使为同一燃料喷射量，也让预测到的温度高时在所述燃烧室内形成的混合气层的体积大于预测到的温度低时在所述燃烧室内形成的混合气层的体积。
[0018]混合气层是在燃烧室内由可燃混合气形成的层。可以将可燃混合气定义为例如当量比Φ =0.1以上的混合气。因为从开始喷射燃料时起经过的时间越长，燃料喷粒就越扩散，所以可以将混合气层的大小设定为点火时刻的大小。因此，可以将在点火时刻燃烧室内的当量比Φ =0.1以上的空间区域定义为混合气层。而且，例如当燃料的燃烧质量比例达到I %以上时，则能够做出点火的判断。
[0019]如后所述，燃料喷射器的喷射方式，与改变所喷射的燃料粒径和喷射间隔中的至少一方相关。
[0020]可以将燃烧室内的温度状态的预测设定为对压缩上止点温度的预测。但是压缩上止点温度并不限于此。可以基于室外空气温度、油温、水温、进气填充量以及废气回流量所有这些参数，或者从其中任意选出的一部分参数对压缩上止点温度进行预测。
[0021]在用同一燃料喷射量进行比较时，混合气层的体积大时，该混合气层的燃料密度就比混合气层的体积小时该混合气层的燃料密度低。混合气层的燃料密度低时，该混合气层燃烧时的燃烧温度就低。相反，混合气层的体积小时，该混合气层的燃料密度就比混合气层的体积大时该混合气层的燃料密度高。混合气层的燃料密度高时，该混合气层燃烧时的燃烧温度就高。
[0022]当预测到燃烧室内的温度状态升高时，增大混合气层的体积来降低燃烧温度，就能够让该燃烧温度落在规定的能够确保良好的废气排放性能的温度范围内。相反，在预测到燃烧室内的温度状态降低时，减小混合气层的体积来提高燃烧温度，就能够让该燃烧温度落在规定的能够确保良好的废气排放性能的温度范围内。因此，上述构成通过对应于进气温度、气缸内壁面的温度状态而让燃烧温度落在所希望的温度范围内，就能够良好地维持废气排放性能。
[0023]所述构成，通过调节在燃烧室内形成的混合气的体积来调节燃烧温度。因此，不用减少进气填充量或者增加已冷却的废气回流量。也就是说，在不导致热效率降低的情况下就能够对燃烧温度进行调节。
[0024]可以这样:所述控制部，让在所述燃烧室内形成的所述混合气层在气缸中心轴向上的长度为一定值，却增大在所述燃烧室内形成的所述混合气层在与气缸中心轴正交的径向上的宽度，这样来对所述燃料喷射器的喷射方式进行控制，以便所述混合气层的体积增大。
[0025]活塞位于压缩上止点时，燃烧室的容积小。特别是在为提高热效率而被高压缩比化了的发动机中，其燃烧室的在气缸中心轴向上的长度，亦即从气缸盖的下表面到活塞顶面的距离短。相对于此，相对于燃烧室的在气缸中心轴向上的长度而言，与气缸中心轴正交的径向上的长度(也就是说，大致与缸孔径相等)较长。因此，在使混合气层的体积增大时，优选在让混合气层的在气缸中心轴向上的长度为一定值，同时增大混合气层的在径向上的宽度。这样一来，在混合气层不接触活塞的顶面的情况下，就能够增大混合气层的体积。这有利于减少冷却损失。
[0026]可以这样:所述燃料喷射器具有:形成有所述喷口的喷嘴本体和将该喷口打开、关闭的阀体，且所述燃料喷射器构成为:该阀体的移动量越大，该喷口的有效截面面积就越大。
[0027]可以这样:所述控制部让所述燃料喷射器进行多级喷射。所述多级喷射包括第一喷射群和第二喷射群。所述第一喷射群，使所述喷口的有效截面面积为规定量且以规定的喷射间隔进行燃料喷射;所述第二喷射群，使所述喷口的有效截面面积比所述第一喷射群小，和/或以比所述第一喷射群窄的喷射间隔进行燃料喷射;在所述燃烧室内的温度高时，所述控制部将由所述第一喷射群喷射的燃料量设定成比由所述第二喷射群喷射的燃料量多，来让所述燃料喷射器进行燃料喷射。
[0028]当燃料已通过喷口喷射到燃烧室内时，燃料喷粒的喷流就要将周围的流体卷进来，另一方面，喷口附近被喷射出的燃料喷粒包围起来，故流体难以流到喷口附近。这样一来，就会在喷口附近出现成为负压的区域。在多级喷射的喷射间隔宽时，因为在到下一次燃料被喷射出来为止的那段时间里负压区域的压力能够恢复，所以负压区域变小。在负压区域小的情况下，燃料喷粒不太被负压吸引而易于扩散。相对于此，喷射间隔窄时，燃料不断地被喷射出来，负压区域的负压得以维持，负压区域变大。在负压区域大的情况下，燃料喷粒被负压吸引而能够抑制燃料喷粒扩展。也就是说，喷射间隔越宽，燃料喷粒就越容易在燃烧室内扩散;喷射间隔越窄，就越能够抑制燃料喷粒扩展。
[0029]当喷口的有效截面面积大时，通过该喷口向燃烧室内喷射的燃料喷粒的粒径就大；当喷口的有效截面面积小时，通过该喷口向燃烧室内喷射的燃料喷粒的粒径就小。燃料喷粒的运动量伴随着粒径变化而变化。也就是说，喷口的有效截面面积越大，燃料喷粒的运动量就越大。其结果是，燃料喷粒的飞散距离增长。
[0030]容易受来自燃料喷粒的负压区域的影响，还是不容易受来自燃料喷粒的负压区域的影响，喷口的有效截面面积对这些都是有影响的。也就是说，如果喷口的有效截面面积大，燃料喷粒的粒径就大，故燃料喷粒难以受到来自负压区域的影响。粒径较大的燃料喷粒不太被负压区域吸引，被负压区域减速的程度也小。相对于此，如果喷口的有效截面面积小，燃料喷粒的粒径就小，故燃料喷粒容易受到来自负压区域的影响。粒径较小的燃料喷粒容易被负压区域吸引，容易被负压区域减速。
[0031]与第二喷射群相比，第一喷射群的喷口的有效截面面积相对大，和/或喷射间隔相对宽。因此而形成朝向前进方向的飞散距离相对较长且由于扩散而扩展开的燃料喷粒。也就是说，从增大混合气层的体积的角度来看，第一喷射群是有利的。
[0032]相对于此，第二喷射群的喷口的有效截面面积相对小，和/或喷射间隔相对窄，因此而形成朝向前进方向的飞散距离相对较短且扩展得到了抑制的燃料喷粒。也就是说，从减小混合气层的体积的角度来看，第二喷射群是有利的。
[0033]因此，当燃烧室内的温度高时，让由第一喷射群喷射的燃料量比由第二喷射群喷射的燃料量多。由此而能够增大混合气层的体积。相反，燃烧室内的温度低时，让由第二喷射群喷射的燃料量比由第一喷射群喷射的燃料量多。由此而能够减小混合气层的体积。混合气层的体积能够通过调节由第一喷射群喷射的燃料量和由第二喷射群喷射的燃料量的比例而得到调节。
[0034]可以这样:所述控制部能够对第一喷射模式和第二喷射模式进行切换，在所述第一喷射模式下，使所述喷口的有效截面面积为规定量且以规定的喷射间隔进行多次燃料喷射。在所述第二喷射模式下，使所述喷口的有效截面面积比所述第一喷射模式小，和/或使燃料的喷射间隔比所述第一喷射模式窄，来进行多次燃料喷射。在所述燃烧室内的温度高时，所述控制部作为所述第一喷射模式让所述燃料喷射器进行燃料喷射。
[0035]与第二喷射模式相比，第一喷射模式下，喷口的有效截面面积相对大，和/或喷射间隔相对宽。由第一喷射模式形成朝向前进方向的飞散距离相对较长且由于扩散而扩展开的燃料喷粒。因此，从增大混合气层的体积的角度来看，第一喷射模式是有利的。
[0036]相对于此，第二喷射模式下，喷口的有效截面面积相对小，和/或喷射间隔相对窄。由第二喷射模式形成朝向前进方向的飞散距离相对较短且扩展得到了抑制的燃料喷粒。因此，从减小混合气层的体积的角度来看，第二喷射模式是有利的。
[0037]因此，在燃烧室内的温度高时选择第一喷射模式，就能够增大混合气层的体积。相反，在燃烧室内的温度低时选择第二喷射模式，就能够减小混合气层的体积。当选择第一喷射模式时，通过调节喷口的有效截面面积，和/或调节喷射间隔，就能够对混合气层的体积进行微调节。同样，当选择第二喷射模式时，通过调节喷口的有效截面面积，和/或调节喷射间隔，就能够对混合气层的体积进行微调节。
[0038]可以这样:所述控制部采用所述喷口的有效截面面积不同的多个喷射方式，让所述燃料喷射器在压缩行程的后半期内进行燃料喷射，多种所述喷射模式包括第一喷射模式和第二喷射模式。所述第一喷射模式为将所述喷口的有效截面面积设定为规定量的模式，所述第二喷射模式为将所述喷口的有效截面面积设定为比所述规定量小的模式。在所述燃烧室内的温度高时，所述控制部将在所述第一喷射模式下喷射的燃料量设定为比在所述第二喷射模式下喷射的燃料量多，来让所述燃料喷射器进行燃料喷射。
[0039]这里，压缩行程的后半期，可以是将压缩行程的期间二等分为前半期和后半期时的后半期。
[0040]当喷口的有效截面面积大时，通过该喷口向燃烧室内喷射的燃料喷粒的粒径就大；当喷口的有效截面面积小时，通过该喷口向燃烧室内喷射的燃料喷粒的粒径就小。燃料喷粒的运动量伴随着粒径变化而变化。也就是说，喷口的有效截面面积越大，燃料喷粒的运动量就越大。其结果是，燃料喷粒的飞散距离增长。
[0041 ]因为在气缸内的压力较高(气缸内的气体密度高)的压缩行程的后半期喷射燃料，所以燃料喷粒会受到很大的阻力，飞翔的燃料喷粒的气势就容易衰减。
[0042]因此，在喷口的有效截面面积小，燃料喷粒的粒径就小的情况下，由于燃料喷粒受来自所述喷口附近的负压区域的影响和所述阻力的影响，因此燃料喷粒的运动量就小，燃料喷粒就难以飞行。其结果是，混合气层的体积就小。相对于此，在喷口的有效截面面积大，燃料喷粒的粒径就大的情况下，由于燃料喷粒难以受来自负压区域的影响，燃料喷粒相对于所述阻力的衰减量也小，因此燃料喷粒的运动量就大，燃料喷粒容易飞到很远。其结果是，混合气层的体积能够增大。
[0043]因此，在燃烧室内的温度高时，通过让在第一喷射模式下喷射的燃料量比在所述第二喷射模式下喷射的燃料量多，就能够增大混合气层的体积。相反，在燃烧室内的温度低时，通过让由第二喷射模式喷射的燃料量比在所述第一喷射模式下喷射的燃料量多，就能够减小混合气层的体积。
[0044]可以这样:所述控制部，在所述气缸内的压力在规定压力以上时让所述燃料喷射器喷射燃料，而在所述燃烧室内形成所述混合气层及该混合气层的新气和/或已燃气体的气层。
[0045]“气缸内的压力在规定压力以上时”的一例为:气缸内的压力伴随着压缩行程的进行而达到规定压力以上时。其它例子包括:由于增压压力高，因此在从压缩行程后半期的初期开始到压缩行程结束的那段时间内，气缸内的压力达到规定压力以上时。
[0046]在气缸内的压力较高时喷射燃料，就能够限制燃料喷粒飞散。其结果是，在燃烧室内，能够由规定当量比以上的混合气形成混合气层且能够在该混合气层的周围形成气层。气层是实质上不包括燃料的层(详细而言，当量比Φ =0.1以下的层)，其中含有新气和废Ho
[0047]可以这样:所述控制部让所述燃料喷射器在压缩行程的后半期内喷射燃料，以便:在所述混合气层内的混合气点火的时刻，在划分所述燃烧室的壁面和所述混合气层之间形成所述气层。
[0048]形成混合气层的混合气燃烧时，其周围的气层作为介于混合气层和划分出燃烧室的壁面之间的绝热层起作用。该构成使冷却损失大幅度地减少。
[0049]可以这样:所述燃烧室的壁面为形成在所述活塞的顶面上的凹状腔的内壁面。
[0050]从所述燃料喷射器喷射出的燃料喷粒在凹状腔的空间内形成混合气层。此时，通过在腔的内壁面和混合气层之间可靠地形成所述气层，而能够使冷却损失大幅度地减少。
[0051]这里所公开的技术还涉及一种直喷式汽油发动机的控制装置。其包括:发动机机体，其具有设置在气缸内的活塞，且构成为由该气缸和该活塞划分出燃烧室，燃料喷射器，其构成为:经喷口向所述燃烧室内喷射至少含有汽油的燃料，以及控制部，其根据所述发动机机体的工作状态对向所述燃烧室内喷射的燃料喷射量和所述燃料喷射器的喷射方式分别进行控制。
[0052]所述燃料喷射器具有:形成有所述喷口的喷嘴本体和将该喷口打开、关闭的阀体，且构成为:该阀体的移动量越大，该喷口的有效截面面积就越大。所述控制部让所述燃料喷射器喷射燃料。所述控制部还对所述燃烧室内的温度状态进行预测，并且，即使为同一燃料喷射量，也让预测到的温度高时所述燃料喷射下的平均移动量大于预测到的温度低时所述燃料喷射下的平均移动量。
[0053]这里，在包括多次燃料喷射的多级喷射下，平均移动量指的是各喷射下的移动量的算术平均。在同一燃料喷射量下，当使多级喷射的平均移动量较大时，因为每次喷射所喷射的燃料量增加，所以喷射次数减少。相反，在同一燃料喷射量下，当使多级喷射的平均移动量较小时，每次喷射所喷射的燃料量减少，所以喷射次数增多。
[0054]从与燃烧开始时刻之间的关系来考虑，燃料喷射的期间某种程度受到制约，因此，喷射次数越多，就越需要使喷射间隔越窄。
[0055]在上述构成下，燃料喷射器的阀体的移动量越大，喷口的有效截面面积就越大。
[0056]因此，在同一燃料喷射量下使平均移动量增大，燃料喷粒的粒径则具有增大的倾向，和/或喷射间隔具有增宽的倾向；在同一燃料喷射量下使平均移动量减小，燃料喷粒的粒径则具有减小的倾向，和/或喷射间隔额具有变窄的倾向。如上所述，使燃料喷粒的粒径增大，和/或使喷射间隔增宽，从增大混合气层的体积的角度来看是有利的；使燃料喷粒的粒径减小，和/或使喷射间隔变窄，从减小混合气层的体积的角度来看是有利的。因此，在已预测到燃烧室内的温度状态高时，通过增大多级喷射下的平均移动量，混合气层的体积就增大，而有利于降低燃烧温度。相反，在已预测到燃烧室内的温度状态低时，通过减小多级喷射下的平均移动量，混合气层的体积就减小，而有利于提高燃烧温度。其结果是，能够使燃烧温度落在所希望的范围内，从而能够良好地维持废气排放性能。
[0057]可以这样:所述控制部对从所述燃料喷射器喷射的燃料量进行设定，以便:当在所述燃烧室内形成所述混合气层和该混合气层周围的新气和/或已燃气体的气层时，所述气缸内的空气重量与该燃料的重量之比即空燃比成为大于理论空燃比的稀空燃比。
[0058]通过在稀空燃比下燃烧，就能够抑制燃烧温度，燃烧温度从而会较低。这样一来，由于燃烧室的内壁和燃烧温度的温度梯度变小，因此能够减少冷却损失。
[0059]-发明的效果-
[0060]如上所述，根据所述直喷式汽油发动机的控制装置，通过调节燃烧室内的混合气层的体积来改变燃烧温度，在不导致热效率降低的情况下就能够良好地维持废气排放性會K。
【附图说明】
[0061 ]图1是不出直喷式汽油发动机的结构简图。
[0062]图2是示出燃料喷射器的内部结构的剖视图。
[0063]图3是示例出发动机的工况的图。
[0064]图4是概念性地示出在燃烧室内形成的混合气层的形状的剖视图。
[0065]图5是说明从燃料喷射器喷射的燃料喷粒的扩展方向的图。
[ΟΟ??]图6是不出燃料的喷射间隔的图。
[0067]图7是不出外开阀式燃料喷射器的移动量的图。
[0068]图8中的(A)是示出燃料的喷射间隔长时，燃料喷粒的扩展状况的概念图，图8中的(B)是示出燃料的喷射间隔短时，燃料喷粒的扩展状况的概念图。
[0069]图9中的(A)是示出燃料喷射器的移动量小时，燃料喷粒的扩展状况的概念图，图9中的(B)是示出燃料喷射器的移动量大时，燃料喷粒的扩展状况的概念图。
[0070]图10中的(A)是示例出示燃烧室内的温度状态低时的混合气层的形状的图，图10中的(B)是示出燃烧室内的温度状态低时的喷射方式的图，图10中的(C)是示例出燃烧室内的温度状态高时的混合气层的形状的图，图10中的(D)是示出燃烧室内的温度状态高时的喷射方式的图。
[0071]图11中的(A)是示例出变形例中燃烧室内的温度状态低时的混合气层的形状的图，(B)是示出变形例中燃烧室内的温度状态低时的喷射方式的图，(C)是示例出变形例中燃烧室内的温度状态高时的混合气层的形状的图，(D)是示出变形例中燃烧室内的温度状态高时的喷射方式的图。
[0072]图12中的(A)是示例出第二实施方式中燃烧室内的温度状态低时的混合气层的形状的图，(B)是示出第二实施方式中燃烧室内的温度状态低时的喷射方式的图，(C)是示例出第二实施方式中燃烧室内的温度状态高时的混合气层的形状的图，(D)是示出第二实施方式中燃烧室内的温度状态高时的喷射方式的图。
[0073]图13中的(A)是示例出第二实施方式的变形例中燃烧室内的温度状态低时的混合气层的形状的图，(B)是示出第二实施方式的变形例中燃烧室内的温度状态低时的喷射方式的图，(C)是示例出第二实施方式的变形例中燃烧室内的温度状态高时的混合气层的形状的图，(D)是示出第二实施方式的变形例中燃烧室内的温度状态高时的喷射方式的图。
[0074]图14是示出其它实施方式所涉及的燃料喷射器的内部结构的剖视图。
【具体实施方式】
[0075]以下参照附图对示例的实施方式进行详细的说明。
[0076]图1概略地示出直喷式汽油发动机I(以下简称为发动机I)。发动机I包括发动机机体所附带的各种执行部件、各种传感器以及基于来自该传感器的信号对执行部件进行控制的发动机控制器100。
[0077]发动机I安装在汽车等车辆上，发动机I的输出轴经变速器与驱动轮相连结，但未图示。车辆借助发动机I的输出传递给驱动轮而前进。发动机I的发动机机体包括气缸体12、和载放在该气缸体12上的气缸盖13。在气缸体12的内部形成有多个气缸11 (图1中仅示出一个气缸11) ο在气缸体12和气缸盖13的内部形成有供冷却水流动的水套，但未图示。
[0078]这里，在本实施方式中，发动机I的燃料是汽油。燃料可以是含有生物乙醇等的汽油。而且，只要是至少含有汽油的液体燃料，则可以是任意燃料。
[0079]活塞15可滑动地嵌插在各气缸11内。活塞15与气缸11和气缸盖13—起划分出燃烧室17。图例中，燃烧室17是所谓的屋脊(pent roof)形燃烧室，其顶面(即气缸盖13的下表面)由进气侧和排气侧两个斜面构成。活塞15的顶面呈与所述顶面相对应的凸状。在顶面的中心部位形成有凹状腔(凹部)15a。需要说明的是，只要实现后述较高的几何压缩比，所述顶面和活塞15的顶面可以为任意形状。例如，顶面和活塞15的顶面(即腔15a以外的部分)双方都可以由垂直于气缸11的中心轴的面构成。或者，顶面可以如上所述呈三角屋脊形状，另一方面，活塞15的顶面(即腔15a以外的部分)可以由垂直于气缸11中心轴的面构成。
[0080]图1中仅不出了一个气缸11，但是每一个气缸11都在气缸盖13上形成有两个进气口 18，两个进气口 18中的每个进气口 18分别开在气缸盖13的下表面(燃烧室17的顶面中的进气侧斜面)上而与燃烧室17连通。同样，每一个气缸11都在气缸盖13上形成有两个排气口19，两个排气口 19中的每个排气口 19分别开在气缸盖13的下表面(亦即燃烧室17顶面中的排气侧斜面)上而与燃烧室17连通。进气口 18与进气通路(省略图示)相连接。调节进气流量的气门阀(throttle valve)20设置在进气通路上，接收来自控制器100的控制信号对气门阀20的开度进行调节。另一方面，排气□ 19与排气通路(省略图示)相连接。在排气通路上设置有具有一个以上的催化转换器的尾气净化系统，催化转换器中含三效催化剂，但未图示。
[0081]在气缸盖13上，进气阀21被设置成能够使进气口18与燃烧室17断开(即关闭)；排气阀22被设置成能够使排气口 19与燃烧室17断开(即关闭)。进气阀21由进气阀驱动机构驱动，排气阀22由排气阀驱动机构驱动。进气阀21在规定的时刻做往复运动，打开和关闭进气口 18;排气阀22在规定的时刻做往复运动，打开和关闭排气口 19。这样一来，进行气缸11内的气体更新。进气阀驱动机构具有与曲轴相连结并被曲轴驱动的进气凸轮轴，进气凸轮轴与曲轴同步旋转，但省略图示。排气阀驱动机构具有与曲轴相连结并被曲轴驱动的排气凸轮轴，排气凸轮轴与曲轴同步旋转，但省略图示。而且，至少进气阀驱动机构包括:能够在规定的角度范围内连续地改变进气凸轮轴的相位的液压式、电动式或机械式可变配气相位机构(可变气门正时VVT:Variable Valve Timing)23构成。需要说明的是，还可以这样:不仅包括VVT23，还包括能够连续地改变气门移动量的升程可变机构(连续可变气门升程(CVVL:Continuous Variable Valve Lift))。
[0082]气缸盖13上设置有火花塞31。该火花塞31利用例如螺纹等公知构造安装固定在气缸盖13上。图例中，火花塞31以相对于气缸11的中心轴朝着排气一侧倾斜的状态安装固定好，火花塞31的顶端部对着燃烧室17的顶部。该火花塞31的顶端部位于后述的燃料喷射器33上的喷嘴口 41附近。需要说明的是，火花塞31的布置情况并不限于此。在本实施方式中，火花塞31是等离子点火式火花塞，点火系统32包括等离子体产生电路。火花塞31借助放电来产生等离子体，让该等离子体从火花塞31的顶端朝着气缸内强烈地喷射，进行燃料的点火。点火系统32接收来自控制器100的控制信号对火花塞31通电，以便火花塞31在所希望的点火时刻产生等离子体。需要说明的是，火花塞31并不限于等离子体点火式火花塞，还可以是经常使用的火花点火式火花塞。
[0083]在气缸盖13的气缸11中心轴X上设置有将燃料直接朝着气缸内(即燃烧室17内)喷射的燃料喷射器33 ο该燃料喷射器33通过使用例如支架(bracket)等公知构造安装固定在气缸盖13上。燃料喷射器33的顶端对着燃烧室17的顶部的中心。
[0084]如图2所示，燃料喷射器33是外开阀式燃料喷射器。外开阀式燃料喷射器33具有喷嘴本体40和将喷嘴口41打开、关闭的外开阀42，其中，在喷嘴本体40上形成有向气缸11内喷射燃料的喷嘴口 41。燃料喷射器33朝着以下方向喷射燃料，该方向与规定的中心轴S倾斜且朝着以该中心轴S为中心的径向外侧扩展开。喷嘴口 41的有效截面面积能够调节。喷嘴口 41为喷口之一例，外开阀42为阀体之一例。
[0085]喷嘴本体40是沿着中心轴S延伸的管状部件，燃料在其内部流动。喷嘴口41的开口缘形成为:在喷嘴本体40的顶端部，越靠近顶端一侧直径越大的锥形。喷嘴本体40的基端一侧的端部与内部设置有压电元件44的壳体45相连接。外开阀42具有阀本体42a和连结部42b。其中，该连结部42b从阀本体42a穿过喷嘴本体40内部而与压电元件44连接。阀本体42a在喷嘴本体40的顶端从喷嘴本体40朝着外侧露出来。阀本体42a中的靠近连结部42b—侧的部分具有大致与喷嘴口 41的开口缘一样的形状。该部分紧顶在(亦即落在)喷嘴口 41的开口缘上时，喷嘴口 41即成为关闭状态。
[0086]燃料喷射器33以其中心轴S与气缸11的中心轴X(即气缸中心轴X)重合且喷嘴口41对着燃烧室17的顶部的状态设置好。
[0087]一施加电压，压电元件44就变形，由此而朝着中心轴方向推压该外开阀42，让该外开阀42从喷嘴本体40的喷嘴口41的开口缘开始移动，喷嘴口41由此而打开。此时，燃料从喷嘴口 41喷射出来。燃料朝着以下方向喷射，该方向与中心轴S倾斜且朝着以中心轴S为中心的半径方向扩展开。具体而言，燃料呈以中心轴S为中心的圆锥状(详细而言，空心锥状)喷射出来。在本实施方式中，该圆锥体的锥角为90°-100° (空心锥内侧的空心部的锥角为70°左右)。当停止对压电元件44施加电压时，压电元件44就会恢复到原来的状态，外开阀42会再次使喷嘴口 41成为关闭状态。此时，设置在壳体45内的连结部42b周围的压缩螺旋弹簧46帮助压电元件44复位。
[0088]对压电元件44施加的电压越大，外开阀42从将喷嘴口41关闭的状态开始移动的移动量(lift:以下简称为移动量)就越大(也参照图7)。该移动量越大，喷嘴口41的开度(即有效截面面积)就越大，从喷嘴口 41向气缸内喷射的燃料喷粒的粒径就越大。相反，该移动量越小，喷嘴口 41的开度就越小，从喷嘴口 41向气缸内喷射的燃料喷粒的粒径就越小。因为压电元件44响应快，所以燃料喷射器33在例如一次循环中能够进行20次左右的多级喷射。不过，作为驱动外开阀42的部件并不限于压电元件44。
[0089]燃料喷射器33也能够进行连续喷射，即在一定时间内维持规定的移动量。
[0090]燃料供给系统34包括:用于驱动外开阀42(即压电元件44)的电路和将燃料供向燃料喷射器33的燃料供给系统。发动机控制器100在规定的时刻将具有与移动量相对应的电压的喷射信号输出给所述电路。通过该电路让压电元件44和外开阀42开始工作，希望量的燃料即被喷射到气缸内。当不输出所述喷射信号时(即喷射信号的电压为O时)，喷嘴口41就在该外开阀42的作用下成为关闭状态。压电元件44就这样被来自发动机控制器100的喷射信号控制着工作。发动机控制器100这样控制着压电元件44工作，从而控制从燃料喷射器33的喷嘴口 41喷射燃料的时刻、期间以及在该燃料喷射料时的移动量。
[0091]0072
[0092]在所述燃料供给系中设置有省略图示的高压燃料栗和共用导轨。该高压燃料栗将经低压燃料栗从燃料箱供来的燃料压送到共用导轨上，共用导轨以规定的燃料压力将该压送来的燃料储存起来。然后，储存在所述共用导轨内的燃料借助燃料喷射器33工作而被从喷嘴口 41喷射出来。
[0093]控制器100是以公知的微型电脑为基础的控制器，控制器100包括执行程序的中央处理装置(CPU)、由例如RAM、R0M构成且存储程序和数据的存储器、以及输出入电信号的输出入(I/O)总线。控制器100是控制部之一例。
[0094]发动机控制器100至少接收与来自空气流传感器71的进气流量相关的信号、来自曲轴转角传感器72的曲轴转角脉冲信号、来自检测油门、脚踏板的踩下量的油门开度传感器73的油门开度信号、来自车速传感器74的车速信号、来自油温传感器75的润滑油温度信号以及来自水温传感器76的冷却水温度信号。发动机控制器100根据这些输入信号计算所希望的发动机I的控制参数，例如气门开度信号、燃料喷射脉冲、点火信号、阀相位角信号等控制参数。然后，发动机控制器100将这些信号输出给气门阀20(准确地讲，是让气门阀20工作的气门执行部件)、燃料供给系统34(准确地讲，是上述电路)、点火系统32以及VVT23等。
[0095]该发动机I包括EGR系统，在该EGR系统中设置有接通进气通路和排气通路的EGR通路而将排出气体的一部分回流为进气，但省略图示。发动机控制器100根据发动机I的工作状态对通过了 EGR系统的排出气体的回流量进行调节。
[0096]该发动机I的几何压缩比ε被设定在15以上40以下。通过提高几何压缩比来实现热效率的提高。在本实施方式中，因为发动机I具有压缩比=膨胀比的结构，所以该发动机I在具有高压缩比的同时，还具有较高的膨胀比。
[0097]如图1所示，燃烧室17由气缸11的壁面、活塞15的顶面、气缸盖13的下表面(即顶面)、进气阀21和排气阀22各自的阀盖面划分而成。需要说明的是，这里所说的燃烧室并不限于活塞15位于上止点时气缸内的空间，而是一个与活塞15的位置无关且由气缸内的空间构成的广义的燃烧室。为减少冷却损失，通过在上述各个面上设置遮热层61、62、63、64、65而将燃烧室17遮热化。需要说明的是，以下在通称这些遮热层61-65的情况下，有时候用符号“6”表示遮热层。遮热层6可以设置在所有这些划分面上，也可以设置在这些划分面中的一部分划分面上。而且，在图例中，气缸壁面上的遮热层61被设置成在活塞15位于上止点的状态下位于比该活塞环14更靠上侧的位置，这样就是一种活塞环14不会在遮热层61上滑动的结构。不过，气缸壁面上的遮热层61并不限于该结构，还可以通过让遮热层61朝着下方延伸，来将遮热层61设置在活塞15的整个移动范围或者一部分移动范围内。还可以将遮热层设置在不是直接划分出燃烧室17的壁面，却是进气口 18、排气口 19的靠燃烧室17顶面一侧开口附近的口壁面上。需要说明的是，图1中示出的各遮热层61-65的厚度并不表示实际的厚度，仅为示例而已，并且也不表示各个面上的遮热层的厚度的大小关系。
[0098]进一步详细地说明燃烧室17的遮热构造。如上所述，燃烧室17的遮热构造由设置在划分出燃烧室17的各划分面上的各遮热层61 -6 5构成。为了抑制燃烧室17内的燃烧气体的热通过划分面释放出来，这些遮热层61-65被设定为其导热率比构成燃烧室17的金属母材低。这里，针对设置在气缸11的壁面上的遮热层61而言，气缸体12为母材;对于设置在活塞15的顶面上的遮热层62而言，活塞15为母材;对于设置在气缸盖13的顶面上的遮热层63而言，气缸盖13为母材;对于设置在进气阀21和排气阀22各自的阀盖面上的遮热层64、65而言，进气阀21和排气阀22分别是母材。因此，对于气缸体12、气缸盖13以及活塞15而言，母材的材质是铝合金或铸铁。对于进气阀21和排气阀22而言，母材的材质是耐热钢或铸铁等。
[0099]为减小冷却损失，优选遮热层6的容积比热小于母材的容积比热。也就是说，虽然燃烧室17内的气体温度随着燃烧循环的进行而变化，但是现有的没有燃烧室17的遮热构造的发动机，通过让冷却水在形成于气缸盖、气缸体内的水套内流动，不管燃烧循环的进行情况如何，划分燃烧室17的面的温度会被维持为大致一定。
[0100]另一方面，冷却损失由冷却损失=热传递率X传热面积X(气体温度-划分面的温度)决定。由此可知，气体温度和壁面温度的温度差越大，冷却损失就会越大。为抑制冷却损失，优选使气体温度和划分面的温度的之温度差较小。但是，在利用冷却水将燃烧室17的划分面的温度维持为大致一定的情况下，温度差伴随着气体温度的变化而增大是不可避免的。于是，优选使上述遮热层6的热容量较小，燃烧室17的划分面的温度追随着燃烧室17内的气体温度的变化而变化。[Ο?Ο? ]例如利用等离子体热喷涂(thermal spraying)将Zr02等陶瓷材料喷涂在基材上来形成所述遮热层6即可。可以在该陶瓷材料中含有大量的气孔。这样做，能够使遮热层6的导热率和容积比热更低。
[0102]在本实施方式中，如图1所示，通过将由导热率非常低、绝热性优良且耐热性也优良的钛酸铝制成的气道夹层(port liner) 181与气缸盖13夹心铸造为一体，来将遮热层设置在进气口 18上。在该结构下，在新气通过进气口 18时，能够抑制甚至避免从气缸盖13受热而温度上升。这样一来，因为被引入气缸11内的新气的温度(初始气体温度)变低，所以燃烧时的气体温度下降。气体温度和燃烧室17的隔开面的温度差由此而会减小。因为使燃烧时的气体温度降低就会使导热率减小，所以更有利于减少冷却损失。需要说明的是，设置在进气口 18处的遮热层的结构并不限于气道夹层181的夹心铸造。
[0103]该发动机I，如上所述将几何压缩比ε设定为15彡ε彡40。理论循环即奥托循环(Otto cycle)的理论热效率nth为Hth=1-1/(εκ-工)。使压缩比ε越高，理论热效率qth就会越高。然而，发动机(准确而言，没有燃烧室的遮热构造的发动机)的指示热效率(indicatedthermal efficiency)在规定的几何压缩比ε(例如15左右)下达到峰值，即使让几何压缩比ε大于或者等于该峰值，指示热效率也不再升高。相反，指示热效率下降。这是由于在使燃料量与进气量一定不变而提高了几何压缩比的情况下，压缩比越高，燃烧压力和燃烧温度就越高而引起的。如上所述，燃烧压力和燃烧温度提高就是导致冷却损失增大的原因。
[0104]相对于此，为了使指示热效率在较高的几何压缩比ε下提高，在该发动机I中将燃烧室17的遮热构造结合进来了。也就是说，通过将燃烧室17遮热化来减少冷却损失，由此来提尚指不热效率。
[0105]另一方面，仅通过将燃烧室17遮热化来减少冷却损失的话，该减少的冷却损失会被转换成排气损失，对指示热效率的提高不会有太大的帮助。有关这一点，如上所述，该发动机I是通过伴随着高压缩比化的高膨胀比化而将燃烧气体的相当于减少的冷却损失的能量效率良好地转换成机械功的。也就是说，该发动机I通过采用让冷却损失和排气损失共同减少的构成，而能够使指示热效率大幅度地提高。
[0106]在该发动机I中，除了采用所述燃烧室17和进气口18的遮热构造以外，还在气缸内(燃烧室17内)由气层形成了绝热层，由此来进一步减少冷却损失。下面对此做详细的说明。
[0107]图3示例出该发动机I在热状态时的工况。该发动机I构成为:基本上在整个工作区域让燃烧室17内的混合气借助自行压燃而燃烧。在图3所示的工况中，在负荷比规定负荷低的低负荷区域、及负荷比低负荷区域高的中负荷区域，在燃烧室17内形成由气层形成的绝热层。也就是说，在发动机负荷较低且燃料喷射量由此而较少的工作状态下，在燃烧室17内形成由气层形成的绝热层。由此来减少冷却损失，提高热效率。这里，可以将低负荷区域和中负荷区域分别定义为:在将发动机的负荷区域分为低、中及高三个区域(例如三等分)时相当于低区域和中区域的区域。而且，特别是，可以将中负荷区域定义为例如负荷在满负荷的规定值以下(例如负荷为70%以下)的区域。
[0108]图4概念性地示出在低负荷和中负荷区域在燃烧室17内形成的混合气层的形状。如该图所示，在燃烧室17内形成由气层形成的绝热层，就是说，在包括形成在活塞15的顶面上的腔15a的燃烧室17内的中央部形成混合气层，并且在混合气层和腔15a的内壁面15b之间形成含新气的气层。该气层可以仅包括新气，还可以不仅包括新气，还包括已燃气体(即EGR气体)。需要说明的是，如后所述，只要气层发挥绝热层的作用，就允许少量的燃料混在气层内。
[0109]通过减小混合气层的表面积(S)和体积(V)之比(S/V比)，燃烧时与周围的气层之间的传热面积减小；由于在混合气层和燃烧室17的壁面之间存在气层，因此混合气层的火炎不会与燃烧室17的壁面接触;气层本身成为绝热层而能够抑制热从燃烧室17的壁面释放出来。其结果是，能够大幅度地减少冷却损失。
[0110]发动机控制器100，为了在从压缩行程的后半期到膨胀行程初期的这段时间内，让燃料从燃料喷射器33的喷嘴口 41喷射到气缸11内而向燃料供给系统34的电路输出喷射信号。这里，压缩行程的后半期是将压缩行程分为前半期和后半期时的后半期。膨胀行程初期是将膨胀行程分为初期、中期以及终期时的初期。这样一来，就会在燃烧室17内的中央部形成混合气层且在其周围形成气层。
[0111]在低负荷区域，因为燃料喷射量相对较少，所以通过在从压缩行程的后半期到膨胀行程初期的这段时间内向气缸11内喷射燃料，就较容易抑制燃料喷粒的扩展，从而较容易形成燃烧室17内的中央部的混合气层及其周围的气层。然而，因为随着燃烧喷射量增加，燃料喷射时间会增长，所以燃料喷粒特别容易沿着气缸11的中心轴X的方向扩展。其结果是，混合气层会与例如活塞15的顶面接触。也就不会可靠地形成混合气层周围的气层。如上所述，该发动机I的几何压缩比高，伴随于此，燃烧室(这里的燃烧室是活塞15位于压缩上止点时气缸内的空间)的容积就小。因此，就该发动机I而言，当燃料喷粒沿着气缸11的中心轴X的方向扩展时，混合气层就容易与活塞15的顶面接触。
[0112]于是，该发动机I，为了在燃料喷射量增加的中负荷区域也可靠地形成燃烧室17内的中心部的混合气层及其周围的气层，对在燃烧室17内形成的混合气层的形状进行控制。具体而言，如图4中的空心箭头所示，当燃料喷射量增加时，就让燃料喷粒朝着与气缸11的中心轴X交叉的径向外侧扩展。由此来抑制混合气层在中心轴X方向上的长度变长以避免混合气层与活塞15的顶面接触。与此同时，通过让混合气层朝着在空间上比中心轴X的方向更具有余量的径向外侧扩展，也会避免混合气层与气缸11的内壁接触。换句话说，对在燃烧室17内形成的混合气层的形状进行控制，就是在设在燃烧室17内形成的混合气层在中心轴方向上的长度为L，设在燃烧室17内形成的混合气层在径向上的宽度为W时，对长度L与宽度W之比(L/W)进行调节。也就是说，为了减小上述S/V比，将L/W之比设定为规定值以上，而当燃料喷射量增加时，则减小L/W之比。
[0113]为了控制这样的混合气层的形状，该发动机I对燃料喷射器33进行燃料喷射的间隔(参照图6)和移动量(参照图7)分别进行调节。这样一来，如图5所示，就是对燃料喷粒朝着前进方向的扩展和燃料喷粒朝着径向的扩展独立地进行控制。如图6中概念性地示出的那样，将燃料喷射的间隔定义为从燃料喷射结束到下一次燃料喷射开始的间隔。如上所述，该燃料喷射器33响应性高，在1-2毫秒的时间内能够进行20次左右的多级喷射。如图7中概念性地不出的那样，燃料喷射器33的移动量与燃料的喷射开口面积成正比。如上所述，移动量越大，喷射开口面积(即喷嘴口 41的有效截面面积)就越大;移动量越小，喷射开口面积就越小。
[0114]图8概念性地示出在让燃料喷射器33的移动量为一定值的基础上，再增长燃料的喷射间隔时(图8(A))和缩短喷射间隔时(图8(B))，燃料喷粒的扩展状况的不同。从燃料喷射器33空心锥状地喷射出的燃料喷粒在燃烧室17内高速流动。因此，尽管燃料喷粒的喷流要将周围流体卷入，但流体却难以流入空心锥状的内侧。因此，在空心锥状的内侧会沿着燃料喷射器33的中心轴S(中心轴S与气缸11的中心轴X重合)产生负压区域。当燃料喷射间隔长时，在从燃料喷射到下一次燃料喷射的这段时间内，负压区域的压力会恢复，故负压区域变小。相对于此，当燃料喷射间隔短时，不间断地重复喷射燃料，故负压区域的压力恢复受到抑制。其结果是，如图8(B)所示，负压区域增大。
[0115]燃料喷粒被该负压吸引。因为负压区域形成在以中心轴S为中心的径向中央侧，所以当负压区域相对较大时，如图8(B)所示，能够抑制燃料喷粒朝着径向扩展。相对于此，当负压区域相对较小时，则如图8(A)所示，因为燃料喷粒不太被吸引，所以容易朝着径向扩展。也就是说，如果缩短燃料喷射器33的燃料喷射间隔，就能够抑制燃料喷粒朝着径向扩展。另一方面，如果增长该喷射间隔，则能够促进燃料喷粒朝着径向扩展。
[0116]图9是概念性地示出在让燃料的喷射间隔为一定值的基础上，再减小燃料喷射器33的移动量时(图9(A))和增大移动量时(图9图(B))燃料喷粒的扩展状况的不同。在该情况下，因为喷射间隔相同，所以燃烧室17内的负压区域相同，但是燃料喷粒的粒径会由于移动量不同而不同。也就是说，因为将燃料喷射器33的移动量减小以后，燃料喷粒的粒径也变小，所以燃料喷粒的运动量变小。因此，燃料喷粒容易被负压吸引到径向中央侧，从而能够抑制燃料喷粒朝着径向外侧的扩展，如图9(A)所示。相对于此，因为将燃料喷射器33的移动量增大以后，燃料喷粒的粒径就变大，所以燃料喷粒的运动量变大。因此，燃料喷粒难以被负压吸引而容易朝着径向外侧扩展，如图9(B)所示。也就是说，如果增大燃料喷射器33的移动量，则能够促进燃料喷粒朝着径向扩展。另一方面，如果减小燃料喷射器33的移动量，则能够抑制燃料喷粒朝着径向扩展。
[0117]粒径较大的燃料喷粒，因其运动量，故朝着前进方向的飞散距离也变长。而且，粒径较大的燃料喷粒即使受到负压区域的影响也难以减速，其飞散距离也会因此而变长。相对于此，粒径较小的燃料喷粒，因其运动量小，故朝着前进方向的飞散距离变短。而且，粒径较小的燃料喷粒容易受负压区域的影响而减速，其飞散距离也会因此而变短。
[0118]通过这样改变燃料喷射器33的喷射间隔和移动量，就能够针对径向和前进方向这两个方向独立地对燃料喷粒的扩展状况进行控制。于是，在该发动机I中，将第一喷射群和第二喷射群结合起来对混合气层的形状进行控制。其中，所述第一喷射群包括移动量相对较大且喷射间隔相对较大的多次燃料喷射;所述第二喷射群包括移动量相对较小且喷射间隔相对较小的多次燃料喷射。在任一个喷射群中都进行多级喷射，即进行多次的燃料喷射。这里，多级喷射指的是，燃料的喷射间隔(从燃料喷射结束到下一次燃料喷射开始的间隔)在0.5毫秒以下那样的燃料喷射。
[0119]详细而言，第一喷射群包括:使燃料喷射器33的移动量比第二喷射群大且使燃料的喷射间隔比第二喷射群大的、规定次数的燃料喷射。负压区域通过使喷射间隔增宽而变小。除此以外，通过增大移动量来增大燃料喷粒的粒径，燃料喷粒的运动量就变大。其结果是，形成朝着前进方向的飞散距离相对较长且朝着径向扩展的燃料喷粒。
[0120]第二喷射群包括:使燃料喷射器33的移动量比第一喷射群小且使燃料的喷射间隔比第一喷射群小的、规定次数的燃料喷射。负压区域通过使喷射间隔变窄而扩大。除此以夕卜，通过减小移动量来减小燃料喷粒的粒径，燃料喷粒的运动量就变小。其结果是，形成朝着前进方向的飞散距离相对较短且径向扩展受到抑制的燃料喷粒。
[0121]发动机控制器100，通过根据发动机I的工作状态改变第一喷射群和第二喷射群的比例，来将混合气层控制成与发动机I的工作状态相对应的形状。基本原理是，通过增大第一喷射群的比例，而形成朝着径向外扩展的混合气层。另一方面，通过增大第二喷射群的比例，而形成朝着径向外侧的扩展受到抑制的混合气层。
[0122]需要说明的是，根据发动机I的工作状态而存在以下情况:第一喷射群被省略，仅进行第二喷射群的情况;包括在第一喷射群中的燃料喷射仅进行一次，剩下的都是第二喷射群的情况;第二喷射群被省略，仅进行第一喷射群的情况;包括在第二喷射群中的燃料喷射仅进行一次，剩下的都是第一喷射群的情况。而且，既可以在第一喷射群之后进行第二喷射群，又可以在第二喷射群之后进行第一喷射群。
[0123]发动机控制器100，不仅根据发动机I的工作状态改变多级喷射的方式，还根据燃烧室17内的温度状态改变多级喷射的方式。具体而言，在该发动机I中，如上所述，在整个工作区域让燃烧室17内的混合气通过自行压燃而燃烧，通过调节气缸11内的气体状态、燃料喷射时刻等各种参数而让燃烧温度落在规定的范围(例如1500-1800K的范围)内，来良好地维持废气排放性能。也就是说，当燃烧温度过低时(例如低于1500K时)，未燃物质由于燃烧稳定性下降而增多，未燃物质的排出量就增加。另一方面，燃烧温度过高时(例如超过1800K时)，从发动机排出尚未被催化剂净化的N0x(Raw NOx)的生成量增加，NOx排出量就增加。
[0124]然而，在像室外空气温度低的环境那样进气温度低时，或者，在像发动机刚刚启动后那样气缸11内壁面温度低时，活塞15到达压缩上止点时气缸11内温度(也就是说，在用电动机带动发动机空转的状态下的燃烧室内温度)即压缩上止点温度降低。其结果是，有可能出现燃烧温度偏离规定的范围而低于1500K这样的情况。相反，在进气温度高时，或者，气缸11内壁面温度高时，压缩上止点温度升高。其结果是，有可能出现燃烧温度偏离规定的范围而高于1800K这样的情况。任何一种情况都会导致废气排放性能恶化。
[0125]于是，发动机控制器100，通过根据燃烧室17内的温度状态改变多级喷射的方式来对燃烧温度进行调节，由此而让燃烧温度落在规定的范围内。
[0126]具体而言，发动机控制器100对压缩上止点温度进行预测。除根据由空气流传感器71检测到的室外空气温度、由油温传感器75检测到的润滑油温、以及由水温传感器76检测到的冷却水温对压缩上止点温度进行预测以外，还根据进气填充量和废气回流量对压缩上止点温度进行预测。当存在以下可能性时，即预测到的压缩上止点温度低，燃烧温度相对于规定的范围偏向低温侧时，则如图10(A)所示，减小混合气层的体积。需要说明的是，燃料喷射量是与要求发动机I输出的负荷相对应的量。通过减小混合气层的体积，混合气层的燃料密度就会提高。通过提高燃料密度，构成混合气层的混合气燃烧时的温度会提高。其结果是，就是在压缩上止点温度低时，也能够让燃烧温度落在规定的范围内。
[0127]相对于此，当存在以下可能性时，即预测到的压缩上止点温度高，燃烧温度偏离规定的范围而高于1800K时，则如图10(C)所示，增大混合气层的体积。需要说明的是，燃料喷射量是与要求发动机I输出的负荷相对应的量，假定其与图10(A)所示的状态相同。通过增大混合气层的体积，混合气层的燃料密度就会降低。通过使燃料密度降低，构成混合气层的混合气燃烧时的温度会下降。其结果是，就是在压缩上止点温度高时，也能够让燃烧温度落在规定的范围内。
[0128]需要说明的是，将这里所说的混合气层定义为由可燃混合气(例如当量比Φ=0.1以上的混合气)构成的层。因为从开始喷射燃料时起经过的时间越长，燃料喷粒就会越扩散，所以混合气层的大小为点火时刻的大小。而且，例如当燃料的燃烧质量比例达到1%以上时，就能够判断为点火。
[0129]为了如上所述对混合气层的体积进行调节，即使为同一喷射量，发动机控制器100也改变第一喷射群和第二喷射群的比例。也就是说，如图10 (B)所示，通过减少第一喷射群8的比例(使燃料喷射80为两次)且增加第二喷射群9的比例(使燃料喷射90为九次)，混合气层的体积就变小，如图10(A)所示。而且，如图10(D)所示，通过增加第一喷射群8的比例(使燃料喷射80为三次)且减少第二喷射群9的比例(使燃料喷射90为六次)，混合气层的体积就变大，如图10(C)所示。对图10(A)、(C)做一比较的话很明显，通过使混合气层在气缸11的中心轴方向上的长度为一定值，且使混合气层在与气缸11的中心轴正交的径向上的宽度增大，混合气层的体积就会增大。这样一来，在混合气层不与划分燃烧室17的面，这里尤其指腔15a的壁面15b接触的情况下，能够增大混合气层的体积。
[0130]如图10(B)、(D)所示，包括在第一喷射群8中的燃料喷射80，移动量相对较大且其喷射间隔相对较宽;包括在第二喷射群9中的燃料喷射90，移动量相对较小且其喷射间隔相对较窄。
[0131]这里，可以说，改变第一喷射群8和第二喷射群9的比例就是改变包括第一喷射群8和第二喷射群9的多级喷射的平均移动量。平均移动量是将第二喷射80的移动量和第二喷射90的移动量的算术平均，由下式(I)表示。
[0132]{(第一喷射80的移动量)X (第一喷射80的次数)+ (第二喷射90的移动量)X (第二喷射90的次数)} / {(第一喷射80的次数)+ (第二喷射90的次数)}…(I)
[0133]也就是说，如图10中点划线所示，当增大第一喷射群8的比例且减小第二喷射群9的比例时，多级喷射的平均移动量下降；当减小第一喷射群8的比例且增大第二喷射群9的比例时，多级喷射的平均移动量上升。因此，可以这样:当预测到的压缩上止点温度低时，发动机控制器100就通过减少多级喷射的平均移动量来减小混合气层的体积，另一方面，当预测到的压缩上止点温度高时，发动机控制器100就通过增加多级喷射的平均移动量来增大混合气层的体积。
[0134]需要说明的是，如上所述，像根据发动机I的工作状态而存在第一喷射群被省略，仅进行第二喷射群的情况;和第二喷射群被省略，仅进行第一喷射群的情况那样，当压缩上止点温度低时，可以如图11(A)、(B)所示，省略第一喷射群8仅进行第二喷射群9。这样一来，能够进一步减小在燃烧室17内形成的混合气层的体积，从而燃烧温度能够进一步上升。而且，当压缩上止点温度高时，可以如图11(C)、(D)所示，省略第二喷射群9，仅进行第一喷射群8。这样一来，以在燃烧室17内形成的混合气层的周围形成气层为前提，能够进一步增大在燃烧室17内形成的混合气层的体积，从而能够进一步降低燃烧温度。
[0135]需要说明的是，可以这样:不改变第一喷射群8和第二喷射群9的比例，而是如图11所示，根据预测到的压缩上止点温度的高低来对仅进行第一喷射群8和仅进行第二喷射群9进行切换。也就是说，当压缩上止点温度低于规定值时，通过选择第二喷射群9(也就是说，使其为第二喷射模式)来减小混合气层的体积。相对于此，当压缩上止点温度在规定值以上时，通过选择第一喷射群8(也就是说，使其为第一喷射模式)来增大混合气层的体积。在像这样对第一喷射群8和第二喷射群9进行切换的情况下，上述的压缩上止点温度和多级喷射下的平均移动量之间的关系也相同。也就是说，当压缩上止点温度低时，选择第二喷射群9来降低平均移动量，由此减小混合气层的体积。相对于此，当压缩上止点温度高时，则选择第一喷射群8来提高平均移动量，由此增大混合气层的体积。
[0136]需要说明的是，在对第一喷射群8和第二喷射群9进行切换的构成中，可以根据预测到的压缩上止点温度，在已选出的第一喷射群8中调节移动量或者调节喷射间隔。同样，当选择了第二喷射群9时，可以根据预测到的压缩上止点温度在该第二喷射群9中调节移动量或者调节喷射间隔。
[0137]需要说明的是，第一喷射群8并不限于图10、图11所示的喷射方式。第一喷射群8下的燃料喷射的次数并不限于三次或者两次。一次、或者四次以上都可以。而且，与第二喷射群9下的喷射相比，第一喷射群8下的喷射，移动量尚，和/或喷射间隔宽。因此，第一喷射群8中的多次喷射的移动量既可以相等，也可以适当地加以改变。在多次喷射下，有关如何改变移动量没有特别的限制，既可以让移动量逐渐增加，也可以让移动量逐渐减少。而且还可以是移动量既增又减。喷射间隔也一样，既可以让喷射间隔逐渐增宽，也可以让喷射间隔逐渐变窄。而且还可以是喷射间隔既增宽又变窄。
[0138]与第二喷射群9相比，第一喷射群8的移动量大且喷射间隔大，但还可以是仅有移动量和燃料间隔二者中的任一者大的构成。
[0139]在上述多级喷射下，在第一喷射群8之后进行第二喷射群9。但是还可以与此相反，在第二喷射群9之后进行第一喷射群8。
[0140]需要说明的是，为调节混合气层的体积，可以采用图12(B)、(D)所示的喷射方式以及图13(B)、(D)所示的喷射方式来取代上述实施方式。
[0141]也就是说，图12(B)、(D)所示的喷射方式是这样的，包括在第一喷射模式108中的燃料喷射801是移动量相对较大的连续喷射;包括在第二喷射模式9中的燃料喷射90是移动量相对较小的多级喷射。该连续喷射让燃料喷射器33的移动量为规定的移动量且持续规定时间。
[0142]如图12(B)所示，发动机控制器100让第一喷射模式108下的燃料喷射801的比例相对较少且让第二喷射模式9下的燃料喷射90的比例相对较多。这样一来，混合气层的体积就会像图10(A)所示的那样变小，如图12(A)所示。
[0143]如图12(D)所示，即使是同一喷射量，通过让第一喷射模式108下的燃料喷射801的比例相对较多且让第二喷射模式9下的燃料喷射90的比例相对较少，混合气层的体积就会像图10(C)所示的那样变大，如图12(C)所示。
[0144]对图12(A)、(C)做比较的话很明显，通过使混合气层在气缸11的中心轴方向上的长度为一定值，且使混合气层在与气缸11的中心轴正交的径向上的宽度增大，混合气层的体积就增大。这样一来，在混合气层不与划分燃烧室17的面接触的情况下，能够增大混合气层的体积。
[0145]需要说明的是，可以这样:不改变第一喷射模式108和第二喷射模式9下的燃料喷射的比例，而是如图13(B)、(D)所示，根据预测到的压缩上止点温度的高低来对仅进行第一喷射模式108(连续的燃料喷射801)和仅进行第二喷射模式9(多级的燃料喷射90)进行切换。
[0146]也就是说，当压缩上止点温度低于规定值时，通过选择第二喷射群9来减小混合气层的体积。相对于此，当压缩上止点温度在规定值以上时，通过选择第一喷射群108来增大混合气层的体积。在像这样对第一喷射群108和第二喷射群9进行切换的情况下，上述的压缩上止点温度和平均移动量之间的关系也相同。也就是说，当压缩上止点温度低时，选择第二喷射群9来降低平均移动量，由此减小混合气层的体积，如图13(A)所示。相对于此，当压缩上止点温度高时，则选择第一喷射群108来提高平均移动量，由此增大混合气层的体积，如图13(C)所示。这里，平均移动量在上式(I)中，是与喷射次数相关的算术平均。在包括连续喷射的情况下，将该连续喷射置换为喷射时间相等的多级喷射，由式(I)决定平均移动量即可。
[0147]需要说明的是，上述第二实施方式中示出的第二喷射模式9并不限于此，可以与第一喷射模式108—样，将第二喷射模式9定为在规定的低移动量为一定值的情况下进行连续喷射的燃料喷射特性。
[0148]需要说明的是，在上述多个实施方式中，发动机控制器100调节由燃料喷射器33向气缸11内喷射的燃料相对于检测出的空气的量(重量)，以便与理论空燃比相比，气缸11内的空燃比稀薄一规定量。这样一来，抑制燃烧温度而使燃烧温度低于理论空燃比条件下的燃烧温度。其结果是，燃烧室17的壁面和混合气层的燃烧温度之差(温度梯度)变小，该燃烧温度之差的减小，就使得燃烧热相应地不被传递给燃烧室17的壁面，从而能够减少冷却损失。
[0149]通过将该对该燃烧温度的抑制和在混合气层的周围形成新气和/或已燃气体的气层结合起来，就能够大幅度地减少冷却损失。
[0150]燃料喷射器的构成并不限于上述实施方式。只要能够改变喷口的有效截面面积，则可以采用任意的燃料喷射器。例如，可以是图14所示的、VC0(Valve Covered Orifice)喷嘴式燃料喷射器233 ο图14为示出燃料喷射器233的内部结构的剖视图。
[0151 ]详细而言，燃料喷射器233具有:形成有向气缸11内喷射燃料的喷嘴口 241的喷嘴本体240和将喷嘴口 241打开、关闭的针阀242。喷嘴本体240是沿着规定的中心轴S延伸的管状部件，燃料在其内部流动。喷嘴本体240的顶端部呈圆锥状。在喷嘴本体240的顶端部的内周面上形成有漏斗状的阀座部243。贯通喷嘴本体240的顶端部形成有多个喷嘴口 241。喷嘴口241的一端朝着阀座部243敞开口。绕中心轴S等间隔地设置有多个喷嘴口241。针阀242的顶端部呈圆锥状，坐落在喷嘴本体240的阀座部243上。喷嘴口 241通过针阀242落在阀座部243上而被堵起来。喷嘴口 241是喷口之一例，针阀242是阀体之一例。
[0152]针阀242与燃料喷射器33—样由压电元件驱动。针阀242被驱动而从阀座部243开始移动以后，就会在阀座部243和针阀242之间形成燃料能够流动的间隙，在该间隙中流动的燃料经喷嘴口 241被喷射到喷嘴本体240的外部。
[0153]此时，在燃料流动之际会在喷嘴口241的内周面上产生气穴。该气穴的程度(例如产生气穴的区域的大小)根据针阀242和阀座部243之间的间隙即针阀242的移动量而变化。具体而言，当针阀242的移动量小，针阀242和阀座部243之间的间隙小时，产生气穴的区域也变大。另一方面，当针阀242的移动量大，针阀242和阀座部243之间的间隙大时，产生气穴的区域也变小。如果产生气穴的区域大，喷嘴口241的有效截面面积就变小；如果产生气穴的区域小，喷嘴口 241的有效截面面积就变大。也就是说，针阀242的移动量越小，喷嘴口 241的有效截面面积就越小;针阀242的移动量越大，喷嘴口 241的有效截面面积就越大。
[0154]在上述实施方式中，通过改变燃料喷射器33的移动量和燃料喷射间隔，就能够改变燃烧室17内的混合气层的形状。在伴随着改变燃料喷射器33的移动量和燃料喷射间隔而产生的混合气层的形状已经发生了变化的情况下，如果提高燃烧压力，混合气层的形状改变的幅度会进一步增大。也就是说，通过使燃料压力升高，当增大燃料喷射器33的移动量时，燃料喷粒的动能进一步增大；当使燃料喷射间隔变窄时，负压就会升高，负压区域会进一步增大。其结果是，混合气层的形状改变的幅度会进一步增大。
[0155]需要说明的是，在上述之例中，既采用燃烧室17和进气口18的绝热构造，同时也在气缸内(燃烧室17内)形成由气层形成的绝热层。但是，这里所公开的技术对于不采用燃烧室17和进气口 18的绝热构造的发动机也能够适用。
[0156]这里所公开的燃料喷射技术，在燃烧室17内形成了混合气层及其周围的气层，但并不限于此。在不存在气层，混合气层与燃烧室17的壁面接触的情况下，也能够采用上述燃料喷射技术。例如，如果燃料喷射量相对于燃烧室17的容积增多，也会出现混合气层与燃烧室17的壁面接触的情况。即使在上述情况下，通过增加在燃烧室17的中央附近产生的热量，抑制在壁面附近产生的热量，便能够抑制来自燃烧室17的壁面的放热，从而能够减少冷却损失。
[0157]在上述之例中，将燃料喷射时刻设定在从压缩行程的后半期到膨胀行程初期的这段时间内。这是为了在气缸11内的压力达到规定压力以上的高压环境下喷射燃料来抑制燃料喷粒扩展。例如在带涡轮增压器的发动机中，可以在从压缩行程后半期的初期到压缩行程结束为止的这段时间内进行燃料的喷射。
[0158]-符号说明-
[0159]I发动机
[0160]11气缸(cylinder)
[0161]15 活塞
[0162]15a 腔
[0163]15b 腔的壁面
[0164]17燃烧室
[0165]33 燃料喷射器
[0166]40 喷嘴本体
[0167]41喷嘴口(喷口)
[0168]42 外开阀(阀体)
[0169]8,801 第一喷射群(第一喷射模式)
[0170]9第二喷射群(第二喷射模式)
[0171]100 发动机控制器(控制部)
[0172]233 燃料喷射器
[0173]241 喷嘴口(喷口)
[0174]242 针阀(阀体)
[0175]S中心轴
[0176]X气缸中心轴
【主权项】
1.一种直喷式汽油发动机的控制装置，其包括: 发动机机体，其具有设置在气缸内的活塞且构成为由该气缸和该活塞划分出燃烧室，燃料喷射器，其构成为:经喷口向所述燃烧室内喷射至少含有汽油的燃料，以及控制部，其根据所述发动机机体的工作状态对向所述燃烧室内喷射的燃料喷射量和所述燃料喷射器的喷射方式分别进行控制，其特征在于: 所述控制部对所述燃烧室内的温度状态进行预测，并且对所述燃料喷射器的喷射方式进行控制，以便做到:即使为同一燃料喷射量，也让预测到的温度高时在所述燃烧室内形成的混合气层的体积大于预测到的温度低时在所述燃烧室内形成的混合气层的体积。2.根据权利要求1所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述控制部，让在所述燃烧室内形成的所述混合气层在气缸中心轴向上的长度为一定值，却增大在所述燃烧室内形成的所述混合气层在与气缸中心轴正交的径向上的宽度，这样来对所述燃料喷射器的喷射方式进行控制，以便所述混合气层的体积增大。3.根据权利要求1或2所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述燃料喷射器具有:形成有所述喷口的喷嘴本体和将该喷口打开、关闭的阀体，且所述燃料喷射器构成为:该阀体的移动量越大，该喷口的有效截面面积就越大。4.根据权利要求3所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述控制部让所述燃料喷射器进行多级喷射， 所述多级喷射包括第一喷射群和第二喷射群， 所述第一喷射群，使所述喷口的有效截面面积为规定量且以规定的喷射间隔进行燃料喷射； 所述第二喷射群，使所述喷口的有效截面面积比所述第一喷射群小，和/或以比所述第一喷射群窄的喷射间隔进行燃料喷射， 在所述燃烧室内的温度高时，所述控制部将由所述第一喷射群喷射的燃料量设定成比由所述第二喷射群喷射的燃料量多，来让所述燃料喷射器进行燃料喷射。5.根据权利要求3所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述控制部能够对第一喷射模式和第二喷射模式进行切换， 在所述第一喷射模式下，让所述喷口的有效截面面积为规定量且以规定的喷射间隔进行多次燃料喷射， 在所述第二喷射模式下，让所述喷口的有效截面面积比所述第一喷射模式小，和/或使燃料的喷射间隔比所述第一喷射模式窄，来进行多次燃料喷射， 在所述燃烧室内的温度高时，所述控制部作为所述第一喷射模式让所述燃料喷射器进行燃料喷射。6.根据权利要求3所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述控制部采用所述喷口的有效截面面积不同的多种喷射模式让所述燃料喷射器在压缩行程的后半期内进行燃料喷射， 多种所述喷射模式包括第一喷射模式和第二喷射模式，所述第一喷射模式为将所述喷口的有效截面面积设定为规定量的模式，所述第二喷射模式为将所述喷口的有效截面面积设定为比所述规定量小的模式， 在所述燃烧室内的温度高时，所述控制部将在所述第一喷射模式下喷射的燃料量设定为比在所述第二喷射模式下喷射的燃料量多，来让所述燃料喷射器进行燃料喷射。7.根据权利要求1到6中任一项所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于:所述控制部，在所述气缸内的压力在规定压力以上时让所述燃料喷射器喷射燃料，而在所述燃烧室内形成所述混合气层及该混合气层周围的新气和/或已燃气体的气层。8.根据权利要求7所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述控制部让所述燃料喷射器在压缩行程的后半期内喷射燃料，以便:在所述混合气层的混合气点火的时刻，在划分所述燃烧室的壁面和所述混合气层之间形成所述气层。9.根据权利要求8所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述燃烧室的壁面为形成在所述活塞的顶面上的凹状腔的内壁面。10.一种直喷式汽油发动机的控制装置，其包括: 发动机机体，其具有设置在气缸内的活塞且构成为由该气缸和该活塞划分出燃烧室，燃料喷射器，其构成为:经喷口向所述燃烧室内喷射至少含有汽油的燃料，以及控制部，其根据所述发动机机体的工作状态对向所述燃烧室内喷射的燃料喷射量和所述燃料喷射器的喷射方式分别进行控制，其特征在于: 所述燃料喷射器具有:形成有所述喷口的喷嘴本体和将该喷口打开、关闭的阀体，且所述燃料喷射器构成为:该阀体的移动量越大，该喷口的有效截面面积就越大， 所述控制部让所述燃料喷射器喷射燃料， 所述控制部还对所述燃烧室内的温度状态进行预测，并且，即使为同一燃料喷射量，也让预测到的温度高时所述燃料喷射下的平均移动量大于预测到的温度低时所述燃料喷射下的平均移动量。11.根据权利要求1到10中任一项所述的直喷式汽油发动机的控制装置，其特征在于: 所述控制部对从所述燃料喷射器喷射的燃料量进行设定，以便:当在所述燃烧室内形成所述混合气层和该混合气层周围的新气和/或已燃气体的气层时，所述气缸内的空气重量与该燃料的重量之比即空燃比成为大于理论空燃比的稀空燃比。
【文档编号】F02D41/34GK105940210SQ201580001817
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年2月2日
【发明人】原田雄司, 山下洋幸, 藤本昌彦, 濑户祐利
【申请人】马自达汽车株式会社