CN100529336C - 多级燃料喷射内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多级燃料喷射内燃机，该内燃机采用燃料喷射系统和可变配气相位系统，其中，根据发动机工作条件可变地控制发动机气门正时。发动机电子控制单元构造成：对进气门关闭正时做出响应来执行在主喷射之前喷射的分喷射的正时的协同控制，以及也对排气门开启正时做出响应来执行在主喷射之后喷射的分喷射的正时的协同控制。

Description

多级燃料喷射内燃机
技术领域
本发明涉及一种多级燃料喷射内燃机，它采用一个用于进气和排气门中的至少之一的可变气门致动控制(VVC)系统和一个能够在每个工作循环动作的多个喷射正时喷射燃料的多级燃料喷射系统，本发明特别涉及适用于压燃发动机例如四冲程循环柴油机、两冲程循环柴油机和预混合压缩点火汽油机等的多级燃料喷射内燃机控制技术的改进。
背景技术
近些年来，根据发动机工作条件能够可变地调整内燃机的进气和排气门中的至少之一的气门升程和气门正时的可变气门致动控制(VVC)系统，广泛用于控制充气效率、有效压缩比和发动机残气量，因此提高燃烧性能和发动机动力性能以及排气排放物控制性能。在汽油机中，预混合的空气燃料混合物借助于火花塞点燃。最近有发展的和先进的研究“压燃发动机技术”。在柴油机或包括汽油机在内的预混合的压燃发动机中，在压缩冲程中单独地压缩空气，然后喷溅或喷射到缸内的燃料由于压缩空气的温度上升(通过压缩进入的空气而产生热量)而自燃。
根据空气燃料混合物的温度和压力以及空气燃料混合物的各种状态或各种特性例如紊流强度和燃料属性，控制或管理燃烧状态的着火落后发生改变。换言之，着火落后与最优值的偏差根据空气燃料混合物的温度、空气燃料混合物的压力、燃烧室中的紊流强度和燃料属性等发生变化。借助于VVC系统可以调整有效压缩比，从而补偿着火落后与最优值的偏差。结果，可以借助于VVC系统最优地控制燃烧状态。要注意的是，有效压缩比与几何压缩比是相互关联的，但不同于几何压缩比。通常由希腊字母“ε”表示的几何压缩比通常定义为：当活塞在下止点(BDC)位置时在发动机缸和燃烧室内存在的全部容积(V1+V2)与当活塞在上止点(TDC)位置时的余隙容积(V1)的比例(V1+V2)/V1。另一方面，通常由希腊字母“ε′”表示的有效压缩比通常定义为：对应于最大工作介质容积的有效缸容积与对应于最小工作介质容积的有效余隙容积的比例。这两个压缩比ε和ε′在热力学上彼此有区别。燃烧状态受多种因素以及有效压缩比ε′影响，例如空气燃料混合物温度以及热力和液力属性或特性(通过增压系统产生的升压、增压空气温度、冷却系统的冷却特性、附着到缸壁上的沉积物的量、外部的EGR即废气再循环的量等)。另外，对于相同的进气门关闭正时，有效压缩比ε′受多种因素影响，例如在压缩冲程开始时的空气燃料混合物的温度、在压缩冲程开始时的空气燃料混合物的压力和EGR的量。
对于柴油机或者对于燃料直接喷射到发动机缸内的缸内直接喷射汽油机，已经建议和开发的各种多级燃料喷射控制技术。根据这种多级燃料喷射控制，一个工作循环动作的燃料喷射被分成多次(多个燃料喷射脉冲)，用于空气燃料混合物的良好的混合和改进的燃烧。一个循环的燃料喷射模式分类成多个喷射区域，例如先导喷射区域、主喷射区域和后喷射区域。由Society of Automotive Engineers of Japan，Inc(日本汽车工程师学会)出版的、标题为“1800bar Common Rail System for DieselEngine(柴油机用的1800巴共轨系统)”、两位作者为Yasushi Tanaka和Koji Nagata的日本文件“JSAE Journal Vol.58No.4，2004，pp19-24(日本汽车工程师学会期刊，第58卷，编号4，2004年，第19-24页)”，教导了一种燃料喷射系统，它采用能够在非常短的喷射间隔内喷射非常小量燃料的高灵敏度的高速的高精度的燃料喷射阀。在描述于日本文件“JSAE Journal Vol.58No.4，2004，pp19-24”中的高灵敏度的燃料喷射阀的情况下，在一个发动机缸的燃烧冲程期间，最多可以执行五次燃料喷射。通过每个发动机工作循环的多次高精度的燃料喷射，可以实现减少的排气排放物和减小的燃烧噪声。例如，当在主喷射之前辅助地喷射非常小量的燃料，可以同时减少包含于废气中的氮氧化物(NOx)和颗粒物质(PM)。另外，在主喷射之后进行的非常小量燃料的辅助喷射(以下称为“分喷射”)导致废气温度的上升，即催化剂温度的上升。这有助于：(i)在冷发动机工作期间快速的催化剂活化，和(ii)燃烧在柴油机颗粒过滤器(通常缩写为“DPF”)中收集的颗粒物质(PM)，即从DPF中除去PM排放物，换言之，DPF再生。
分喷射的正时在发动机工作条件的基础上确定并且在发动机工作条件的宽范围内进行电子控制。特别地，在预混合的压燃发动机中，通过通常记为“IVC”并按曲轴转角表示的进气门关闭正时控制空气燃料混合物的点燃。更具体地，通过延迟或提前进气门关闭正时可以可变地调整在压缩冲程开始时进入发动机缸的空气质量。关于预定的曲轴转角，可以延迟缸内压力的上升和缸内温度的上升。换言之，通过借助于进气门关闭正时IVC的可变的调整来延迟缸内压力的上升和/或缸内温度的上升，可以降低有效压缩比ε′。一种这样的对于压燃发动机的IVC调整类型的可变压缩比装置已经公开于日本专利临时公布No.1-315631(以下称为JP1-315631)。在JP1-315631的情况下，IVC调整类型的可变压缩比装置在两冲程循环柴油机中举例说明。具体地，当确定两冲程循环柴油机的当前的工作条件对应于发动机的起动时期，那么进气门关闭正时IVC借助于电动机驱动的可变气门致动控制装置(或电动机驱动的可变气门正时控制(VTC)系统)朝下止点(BDC)附近的正时值是相位提前的，因此提高有效压缩比ε′和因此提高起动时期的自燃性。相反地，在发动机正常工作期间，进气门关闭正时IVC是相位滞后的，以降低有效压缩比ε′并且因此降低燃料消耗率。JP1-315631的从转动运动到直线运动的转换器(球轴承螺旋机构)由受步进电动机驱动的蜗杆(即带有螺旋沟槽的球轴承轴)、内滑动器(循环球螺母)、设置在螺旋沟槽中的循环球和外滑动器构成，该外滑动器可沿轴向与内滑动器一起移动并可相对于内滑动器转动。另一类型的可变气门工作装置已经公开于Society of Automotive Engineers of Japan，Inc(日本汽车工程师学会)出版的、标题为“Gasoline Engine：Recent Trends in Variable ValveActuation Technologies to Reduce the Emission and Improve the FuelEconomy(汽油机：用于减少排放物和提高燃料经济性的可变配气相位技术的最近趋势)”、两位作者为Yuuzou Akasaka和Haiime Miura的日本文件“JSAE Journal Vol.59No.2，2005”。日本文件“JSAE JournalVol.59No.2，2005(日本汽车工程师学会期刊，第59卷，编号2，2005年)”公开了多种可变气门工作系统，例如螺旋齿轮活塞类型的双级的相位控制系统、旋转叶片式的连续可变气门正时控制(VTC)系统、摇臂式分级气门升程和工作角变化器、连续可变气门动作和升程(VEL)控制系统等。VTC和VEL控制系统借助于相应的执行器例如电动机或电磁铁进行工作，各执行器对电子控制单元(ECU)的控制信号(驱动信号)做出响应地被直接驱动。作为选择，VTC和VEL控制系统经常借助于液压工作装置间接地工作，所述液压工作装置是可以电控或电磁地控制的。
发明内容
但是在现有技术的采用VVC系统和多级燃料喷射系统的内燃机中，特别是在现有技术的采用这两个系统的压燃发动机中，分喷射正时在发动机工作条件的基础上进行确定并且在发动机工作条件的宽范围下进行控制，而进气门正时(特别是进气门关闭正时)和排气门正时(特别是排气门开启正时)也在发动机工作条件的基础上进行确定并且在宽范围的工作条件下进行控制。对于VVC系统的工作和电子燃料喷射控制系统的工作有彼此干涉的上升趋势。
如上所述，在预混合的压燃发动机中，空气燃料混合物的点燃通过进气门关闭正时IVC进行控制，并且因此在进气门关闭正时IVC存在延迟时进气门关闭正时IVC趋向于接近燃料喷射正时(精确地，燃料喷射的开始)。由于进气门关闭正时IVC的这种延迟，对于进气门关闭工作和燃料喷射工作有相互干涉的上升趋势。另一方面，在主喷射之后发生的分喷射正时即用于DPF再生的后喷射正时趋向于接近排气门开启正时(通常表示为“EVO”)，并且从而对于后喷射正时和排气门开启正时EVO有相互干涉的上升趋势。
更具体地，当在主喷射之前发生的分喷射正时，即用于降低排气排放物(用于降低NOx和用于降低PM)的前喷射正时，趋向于接近进气门关闭正时IVC，对于前喷射正时和进气门关闭正时IVC有相互干涉的上升趋势。实际上，在发动机气门正时控制和多级燃料喷射控制之间有下列多种不期望干涉的问题。
如果在燃料已经喷射之后进气门保持打开，那么喷射的燃料部分易于从发动机缸泄漏到进气系统内并且从而泄漏的燃料不参与燃烧，因此导致分喷射的降低的效果，即降低的发动机动力输出和恶化的排放物控制性能。
在进气门关闭的时刻，缸内的空气燃料混合物易于回流到进气门侧。从燃料喷射阀喷射的燃料受到空气燃料混合物朝进气门侧回流的影响，使得喷射的燃料流的方向(或路径)不期望地偏离或改变。这也导致分喷射的降低的效果。
由于喷射燃料的蒸发，混合物温度(换言之，缸内温度)趋向于下降。另一方面，由VVC系统执行的有效压缩比控制受到由喷射燃料的蒸发引起的混合物温度下降的影响。更具体地，由于喷射燃料的偏离的流动方向，喷溅的燃料的蒸发速度发生改变，并且从而对于相同的进气门关闭正时，混合物温度趋向于不期望地改变。并且因此有使由VVC系统执行的有效压缩比控制的效果失灵的问题。
在废气温度必须通过发生在主喷射之后的分喷射即通过用于DPF再生的后喷射而上升的情况下，排气门开启正时EVO是相位提前的，而分喷射(后喷射)的正时是相位滞后的。但是，假设后喷射的喷射正时发生过多的延迟，喷射的燃料部分趋向于从发动机缸泄漏到排气系统内。在这些条件下，未燃烧的燃料趋向于到达催化转化器和柴油机颗粒过滤器(DPF)，并且因此有可能未燃烧的燃料在催化转化器内和/或在DPF内快速燃烧。因此由于未燃烧的燃料的这种快速燃烧，对于催化转化器和/或DPF有被损坏的趋势。
另外，前面讨论的分喷射引起膨胀冲程中的废气温度上升和排气冲程中的废气温度上升。结合于预混合的压燃发动机中的VVC系统受到由分喷射引起的废气温度上升的显著影响，其中残气量通过通常表示为“EVC”的排气门关闭正时进行控制，并且结果是控制点燃状态。
至今，通过VVC系统执行的用于改善的燃烧的燃烧控制和通过多级燃料喷射系统执行的用于相同目的的其它燃烧控制是彼此独立地执行的。
由Society of Automotive Engineers of Japan，Inc(日本汽车工程师学会)出版的、标题为“Development of Gasoline HCCI Engine ControlSystem(HCCI汽油机控制系统的发展)”、作者为H.Kakuya等人的日本文件“2005 JSAE Annual Congress.No.20055184，Yokohama，Japan，May 18，2005(2005年日本汽车工程师学会年会，编号20055184，日本横滨，2005年5月18日)”，教导了在测量的燃烧状态的基础上控制发动机气门(进气和/或排气门)的操纵变量以及在测量的燃烧状态的基础上控制燃料喷射系统的操纵变量。但是气门工作系统的发动机气门的操纵变量和燃料喷射系统的操纵变量彼此独立地无关地控制。因此不可能满意地解决前面讨论的在通过VVC系统执行的第一燃烧控制与通过多级燃料喷射系统执行的第二燃烧控制之间的不期望的干涉问题。
因此期望提供一种措施，由此可以满意地避免在第一与第二燃烧控制之间的不期望的控制干涉。
因此考虑到前面说明的现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种多级燃料喷射内燃机，它采用VVC系统和多级燃料喷射系统，其中可以优化燃烧控制，而在由VVC系统执行的用于改进的燃烧的第一燃烧控制与由多级燃料喷射系统执行的用于相同目的的第二燃烧控制之间没有不期望的干涉。
为了实现本发明的上述目的以及其它目的，一种多级燃料喷射内燃机包括：燃料喷射系统，它能够在发动机的一个工作循环中的多个喷射正时喷射燃料，所述喷射正时除了主喷射正时之外还包括至少一个分喷射正时；可变气门致动控制系统，它能够通过改变进气门和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时来改变进气门关闭正时或排气门开启正时；和控制单元，它构造成将特定的发动机工作区域的至少两个范围确定为第一工作范围和第二工作范围，并且在第一工作范围内将其中一个喷射正时设定成与进气门关闭正时和排气门开启正时中的任一个具有预定的第一关系，而在第二工作范围内将其中一个喷射正时设定成与进气门关闭正时和排气门开启正时中的任一个具有预定的第二关系。
按本发明的另一方面，一种多级燃料喷射内燃机包括：燃料喷射系统，它能够在发动机的一个工作循环中的多个喷射正时喷射燃料；可变气门致动控制系统，它能够通过改变进气门和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时来改变进气门关闭正时或排气门开启正时；传感器，它设置成检测进气和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时；和对该传感器的传感器信号做出响应的控制单元，用于对进气门关闭正时和排气门开启正时中的任一个做出响应来执行其中一个喷射正时的协同控制。
按本发明的又另一方面，一种多级燃料喷射内燃机包括：燃料喷射系统，它除了主喷射之外还允许至少一次分喷射；可变气门致动控制系统，它能够改变进气门关闭正时或排气门开启正时；第一传感器，它设置成检测发动机的工作条件；第二传感器，它设置成检测进气门和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时；和控制单元，它构造成：当由第二传感器检测的进气门关闭正时与在由第一传感器检测的发动机工作条件基础上确定的期望的进气门关闭正时值之间的差变得大于或等于预定的界限值时，或者当由第二传感器检测的排气门开启正时与在由第一传感器检测的发动机工作条件的基础上确定的期望的排气门开启正时值之间的差变得大于或等于预定的界限值时，对进气门关闭正时和排气门开启正时中的任一个作出响应，起动分喷射正时的协同控制。
按本发明的另一方面，一种多级燃料喷射内燃机包括：燃料喷射系统，它至少允许在主喷射之前喷射的分喷射和在主喷射之后喷射的分喷射；第一可变气门致动机构，它能够至少改变进气门关闭正时；第二可变气门致动机构，它能够至少改变排气门开启正时；和对发动机的工作条件做出响应的控制单元，用于对进气门关闭正时做出响应来执行在主喷射之前喷射的第一分喷射的正时的协同控制，以及用于对排气门开启正时做出响应来执行在主喷射之后喷射的第二分喷射的正时的协同控制。
本发明的其它目的和特性将在下面参照附图的说明中变得显而易见。
附图说明
图1是描述一种多级燃料喷射内燃机的实施例的系统框图，该内燃机采用至少一个可变气门致动控制(VVC)系统、多级燃料喷射系统和发动机电子控制系统。
图2是描述结合在该实施例的多级燃料喷射内燃机中的多级燃料喷射系统的系统框图。
图3是描述图2中的燃料喷射系统的燃料喷射阀的结构的结构图。
图4是显示可变喷嘴开度的双喷嘴装置的示意的喷嘴结构，该装置可以应用于结合在该实施例的多级燃料喷射内燃机中的燃料喷射系统。
图5是描述电动机驱动的螺旋盘式可变气门正时控制(VTC)机构的结构图，该机构可应用于该实施例的多级燃料喷射发动机。
图6是显示在该实施例的多级燃料喷射发动机中在多个燃料喷射正时、进气门开启正时IVO、进气门关闭正时IVC、排气门开启正时EVO和排气门关闭正时EVC之间的关系的特性图。
图7是结合在该实施例的多级燃料喷射发动机中的发动机控制系统的框图。
图8A是用于根据发动机速度V和发动机负荷L确定第一分喷射正时IT1的查找表的方案图。
图8B是用于根据发动机速度V和发动机负荷L确定进气门关闭正时IVC的查找表的方案图。
图9A是在该实施例的多级燃料喷射发动机的发动机控制系统中用于根据发动机速度V和发动机负荷L确定第一分喷射正时IT1的预编程的查找表。
图9B是在该实施例的多级燃料喷射发动机的发动机控制系统中用于根据发动机速度V和发动机负荷L确定进气门关闭正时IVC的预编程的查找表。
图10是在电子控制单元(ECU)内执行的IVC-IT1控制例行程序的流程图，该电子控制单元结合于该实施例的多级燃料喷射发动机的发动机控制系统中。
图11是显示在该实施例的多级燃料喷射发动机中在进气门关闭正时IVC与第一分喷射正时IT1之间的相互关系的流程图。
图12是显示在该实施例的多级燃料喷射发动机中在进气门关闭正时IVC与第一分喷射正时IT1之间的关系的预编程的特性图。
图13是显示在该实施例的多级燃料喷射发动机中在排气门开启正时EVO与第二分喷射正时IT2之间的相互关系的流程图。
图14是显示在该实施例的多级燃料喷射发动机中在排气门开启正时EVO与第二分喷射正时IT2之间的相互关系的预编程的特性图。
图15是结合于多级燃料喷射发动机中的发动机控制系统的修改的框图。
图16是显示另一类型的VVC系统的结构的透视图，该VVC系统可应用于该实施例的多级燃料喷射发动机并且包括一个连续可变气门动作和升程控制(VEL)机构。
图17是显示通过示于图16中的VEL机构达到的气门动作和升程特性的气门动作和升程控制特性图。
具体实施方式
现在参照附图特别是参照图1，在四冲程循环发动机中举例说明结合于该实施例的多级燃料喷射内燃机中的可变气门致动控制(VVC)系统。如在图1的系统框图中的箭头所示，发动机1的曲轴2顺时针转动。通常已知，往复式活塞3已移动到发动机1的缸的底部时的活塞位置对应于180度的曲轴转角。该最低活塞位置称为“下止点(BDC)”。当发动机曲轴2继续转动并因此使活塞3到达发动机缸的顶点时获得的活塞位置对应于360度的曲轴转角(360°曲轴转角)或者0°曲轴转角。最高的活塞位置称为“上止点(TDC)”。
在通常的柴油机燃烧的情况下，柴油(燃油)在压缩冲程期间通过燃料喷射阀4喷溅或喷射到缸内。然后喷溅的燃料由于高温高压的压缩气体而自燃并且燃烧(通过压缩进入的空气而产生的热量)。另一方面，在预混合压缩点火的情况下，燃料在进气冲程期间通过燃料喷射阀4喷溅或喷射到缸内，使得喷溅的燃料与充入到缸内的空气充分预混合。残气设定为对于在空气燃料混合物中的温度上升为相对大量的。如果活塞3向上移动，那么在预混合的空气燃料混合物中发生温度上升和压力上升，因此导致空气燃料混合物的自燃，使得混合物燃烧。包含在电子喷射控制系统中的燃料喷射阀4的燃料喷射量和喷射正时都响应于来自曲轴转角传感器5的传感器信号通过电子控制单元(ECU)6进行控制。曲轴转角传感器5的目的是向ECU 6通知发动机速度V和曲轴2的相对位置。
在汽油预混合燃烧的情况下，在压燃困难的特定的发动机工作条件下，空气燃料混合物通过火花塞(未示出)辅助点燃，因此燃烧根据火焰传播进行发展。在火花点燃的内燃机中，火花塞的点火正时响应于来自曲轴转角传感器5的传感器信号通过电子控制单元(ECU)6进行控制。
在起动工作期间，发动机起动机7进行工作，以起动发动机1或者转动曲轴2。在混合动力汽车发动机的情况下，不使用起动机7，而是通过电动发电机转动发动机1。另外，在起动阶段期间，电流施加到预热塞8，用于在预热塞8中的温度上升以及用于促进燃料蒸发，因此支持或辅助自燃。有害的排放废气例如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、黑烟和氮氧化物(NOx)等通过催化转化器301被过滤出去和净化。
另外，包含在废气中的颗粒物质(PM)在柴油机颗粒过滤器(DPF)304中收集或捕获。DPF 304由陶瓷的柴油机颗粒过滤器或者耐热合金的柴油机颗粒过滤器构成。为了避免发动机动力输出因DPF 304不期望的堵塞而下降，并且从而防止废气流的阻力增加，空气燃料混合物的密度控制成较浓的燃料空气比，按这样的方式使得废气温度上升，因此达到颗粒物质(PM)的充分燃烧，也就是说，从DPF中除去PM排放，换言之，DPF再生。
进气门9和排气门10安装在发动机1的上部。进气门9由进气门凸轮11驱动，而排气门10由排气门凸轮12驱动。进气门凸轮11经由可变气门致动机构(或可变气门特性调整机构)13a机械地连接至凸轮轴正时皮带轮14。另一方面，排气门凸轮12经由可变气门致动机构(或可变气门特性调整机构)13b机械地连接至凸轮轴正时皮带轮14。在示于图1的该实施例中，液压工作的旋转叶片式可变气门正时控制(VTC)机构或者电动机驱动的螺旋盘式VTC机构(见图5)用作为可变气门致动机构13a、13b。取而代之，连续可变气门动作和升程控制(VEL)机构(见图16)可以用作为可变气门致动机构13a、13b。VTC机构和VEL机构可以相互组合，作为可变气门致动控制(VVC)系统。
曲轴2的转动经由正时皮带或正时链等传递至凸轮轴正时皮带轮14。在所示实施例中，排气门凸轮12直接连接至凸轮轴正时皮带轮14。作为选择，排气门凸轮12可以通过进气门凸轮11的VTC机构13a连接至凸轮轴正时皮带轮14。取而代之，排气门凸轮12可以通过不同于与进气门凸轮11相关的VTC机构13a的单独的VTC机构13b连接至凸轮轴正时皮带轮14。
来自于发动机温度传感器(水温传感器或发动机冷却剂温度传感器)15的传感器信号输入到ECU 6，该温度传感器检测发动机温度Te。来自VTC系统的凸轮轴传感器16的传感器信号11s也输入到ECU 6内。凸轮轴传感器16位于与进气门凸轮11相关的进气门凸轮轴附近。凸轮轴正时皮带轮14由发动机曲轴以曲轴2的转动速度的1/2进行驱动。在图1的可变气门致动控制(VVC)系统中，进气门凸轮11具有相位差地进行转动，该相位差在由曲轴转角传感器5检测的角相位与由凸轮轴传感器16检测的角相位之间。曲轴2每转动两次，进气门9的气门开启动作进行一次，用于使空气进入缸内。
在凸轮轴正时皮带轮14转动期间，连接至凸轮轴正时皮带轮14的排气门凸轮12也被驱动。曲轴2每转动两次，排气门12的气门开启动作进行一次，用于从发动机缸排出燃烧过的气体。如从图1左侧可见，气流传感器17、包含在增压系统中的涡轮增压器18和废气再循环(EGR)阀19安装在进气系统20中并且设置在进气门9的上游。气流传感器17设置用于测量进入发动机缸的空气的数量Qa。作为其他的发动机/汽车传感器，有加速踏板位置传感器、催化剂温度传感器和缸内压力传感器100等。作为指示发动机负荷L的输入信息，ECU 6的输入端接收来自于加速踏板位置传感器的传感器信号，该传感器检测加速踏板的下降量APS。缸内压力传感器固定于发动机缸，用于检测缸内压力值cp。催化剂温度传感器通常位于排气系统中的催化转化器的下游，用于检测催化剂温度值TCAT。
可变气门致动机构13a、13b(或者示于图1中的实施侧的多级燃料喷射发动机的发动机控制系统的VTC机构)是可变相位控制装置，它可以随着发动机1的起动工作同时进行工作。在VVC系统采用液压工作的旋转叶片式可变气门正时控制(VTC)机构的情况下，当然VTC机构通过由发动机1的油泵产生的液压进行工作，并且从而由发动机油泵产生的液压在起动工作期间趋向于下降。因为供给的液压的这种下降，VVC系统(或VTC机构)在控制进气门9的气门正时(IVC和/或IVO)方面具有不确定性。在特定条件下，即例如在起动期间由于发动机油泵产生的液压下降而使VVC系统(或VTC机构)在控制气门正时方面具有不确定性时，随着点火开关打开操作，同时驱动一个单独的电动机驱动的液压油泵(未示出)，以便快速满意地向VTC机构供给或提供液压。
在四冲程循环的压燃发动机例如四冲程循环柴油机中的正常发动机工作期间，排气门10在排气冲程开始时在180度的曲轴转角处(或就在180°的曲轴转角之前)开始开启。排气门10开始开启的正时称为“排气门开启正时EVO”。排气门10在排气冲程结束时开始关闭。排气门10开始关闭的正时称为“排气门关闭正时EVC”。另一方面，进气门9在进气冲程开始时在接近0°曲轴转角的正时值时开始开启。进气门9开始开启的正时称为“进气门开启正时IVO”。进气门9在进气冲程结束时在接近BDC(对应于180度的曲轴转角)的正时数值处或者就在BDC之后开始关闭。进气门9开始关闭的正时称为“进气门关闭正时IVC”。
构成燃料喷射系统一部分的燃料喷射阀4安装在缸盖上。在示于图2的四缸发动机的情况下，燃料通过共同称为“喷射阀4”的四个喷射阀4a、4b、4c和4d喷射或喷溅到相应的发动机缸内。喷射阀4a至4d的上游部分连接至由一根管构成的燃料共轨804。燃料从燃料箱801经由供给泵802和高压泵803供给到共轨804。在共轨804中的燃料压力通过压力传感器805检测。当共轨804中的燃料压力变高并且超过预定的界限值(预设的压力值)时，压力调节器806(或压力调节阀或卸压阀)转变到其阀开启位置，以便通过使过剩的燃料经由压力调节器806返回到燃料箱801中而使共轨804中的燃料压力基本上保持恒定。通常，共轨804中的燃料压力维持在1000大气压至2500大气压范围的恒定压力水平。如图3所示，喷射阀4a至4d均由阀元件810、喷嘴814、柱塞812、高灵敏度高精度的执行器813(压电元件等)、固定口815、控制腔816和柱塞弹簧817构成。
当执行器813向上运动或移动时，口815打开并且从而控制腔816中的压力下降。由于控制腔816中的压力下降，柱塞812向上移动并且因此喷嘴814上升且打开，使得燃料可以通过喷嘴喷射或喷溅到缸内。相反地，当执行器813向下移动，口815关闭并且从而控制腔816中的压力上升。由于控制腔816中的压力上升，柱塞812通过柱塞弹簧817的弹簧力被迫下行并且从而喷嘴814关闭，使得燃料喷射动作被停止。在恒定的燃料压力(或固定的燃料压力)下，喷嘴814打开的时间长度确定喷射的燃料量。前面讨论的图2的高灵敏度的燃料喷射系统允许高精度的分开的燃料喷射(即高精度的多级燃料喷射)，一个工作循环动作的燃料喷射分成多次(多个燃料喷射脉冲)。至今，在TDC附近(在压缩冲程结束附近)发生一次燃料喷射。相反，按图2的高灵敏度燃料喷射系统，可以在从压缩冲程开始至膨胀冲程结束的时间间隔期间产生多个燃料喷射脉冲。
作为如图4所示的喷嘴814，可以使用可变喷嘴开度的双喷嘴装置。图4的可变喷嘴开度的双喷嘴装置能够根据发动机工作条件例如发动机速度V和发动机负荷L可变地调整喷嘴开度。图4的可变喷嘴开度的双喷嘴装置由第一喷嘴814a、第二喷嘴814b、第一柱塞812a和第二柱塞812b构成。如从图4的示意的喷嘴结构可见，当第二柱塞(外侧的柱塞)812b拉起时，第二喷嘴814b打开。当第一柱塞(内侧的柱塞)812a拉起时，可以打开第一喷嘴814a和第二喷嘴814b。通过使用可变喷嘴开度的双喷嘴装置(814a、814b)，可以在恒定的燃料喷射时间长度下设定燃料喷射量为最优值。在这些条件下，如果仅第一柱塞(内侧的柱塞)812a压下，仅第一喷嘴814a关闭，而第二喷嘴814b保持在打开位置。在这种情况下，总的喷嘴开启面积仅等于第二喷嘴814b的开启面积。按这种方式，通过总体上减小喷嘴814的总的开启面积可以有效地延长连续执行燃料喷射的燃料喷射持续时间(喷射脉冲宽度)。这提供的效果几乎相同于对于每个发动机工作循环多次(或在多个喷射正时)喷射燃料的分开式燃料喷射。
作为能够允许凸轮轴310相对于凸轮轴正时皮带轮14的相对相位改变的VTC机构，可以使用示于图5中的电动机驱动的螺旋盘式VTC机构，该相对相位改变是发动机气门的气门正时改变。实际上，在图5的电动机驱动的螺旋盘式VTC机构的情况下，凸轮轴310与凸轮轴正时皮带轮14之间的相位差可以通过连杆(运动转换器)312改变。连杆312的径向外侧的部分不仅机械地连接至凸轮轴正时皮带轮14而且机械地连接至螺旋盘311，使得连杆312的径向外侧的部分沿着在凸轮轴正时皮带轮14中形成的导槽313滑动并且也沿着在螺旋盘311中形成的导槽314滑动。另一方面，连杆312的径向内侧的部分固定连接至凸轮轴310。当螺旋盘311相对于凸轮轴正时皮带轮14的相位角改变时，连杆312的外侧部分相对于凸轮轴310轴线的径向位置改变，并且从而发生凸轮轴310相对于凸轮轴正时皮带轮14的相位改变。有各种方法改变螺旋盘311相对于凸轮轴310的相位角。在示于图5中的电动机驱动的螺旋盘式VTC机构的情况下，磁滞式电动机315用作为执行器(驱动动力源或者电控执行装置)。磁滞式电动机315可以在与磁滞部件316隔开距离的非接触的关系中施加力矩到磁滞部件316上，用于改变螺旋盘311相对于凸轮轴正时皮带轮14的相位角。假设汽车电池电压高于指定的电压值，则从发动机1起动的时间起可以通过磁滞式电动机315肯定地使电动机驱动的VTC机构工作。通常公知，随着施加给磁滞式电动机315的电流的增加，作用在磁滞部件316上的力矩幅值增加。增加的力矩克服偏压装置例如复位弹簧(未示出)的弹簧力而转动磁滞部件316。结果是可以响应于施加至磁滞式电动机315的电流的电流值连续改变凸轮轴310相对于凸轮轴正时皮带轮14的相对相位。因此可以对来自于凸轮轴传感器16的传感器信号做出响应，通过闭环控制(反馈控制)方式控制施加的电流，将凸轮轴310相对于凸轮轴正时皮带轮14的实际相对相位向期望的数值进行精确控制或调整。
在柴油机或汽油机中为了改进燃烧过程，具有如图6所示的预编程的多级燃料喷射特性的多级燃料喷射系统用于在发动机的一个工作循环即进气、压缩、膨胀(或做功)和排气(两次完整的旋转)中多次喷射燃料。如从图6的特性图可见，在由主燃料喷射正时“IT0”表示的主喷射之前发生由第一分喷射正时“IT1”表示的非常小量燃料的副喷射。在主喷射正时IT0之前喷射非常小量的燃料，这部分地产生预混合的空气燃料混合物，因此促进在主燃料喷射期间喷溅的燃料易于燃烧。由于在主喷射期间喷溅的燃料的良好燃烧(易于燃烧)，可以有效地减少排气排放物例如烟和颗粒。在主喷射正时IT0之前发生的分喷射正时IT1以下称为“前喷射正时IT1”或者“第一分喷射正时”。前喷射正时(第一分喷射正时)IT1根据发动机工作条件(例如发动机速度V和发动机负荷L)合适地进行控制。根据图6的特性图，由第二分喷射正时“IT2”表示的非常小量燃料的副喷射也发生在由主燃料喷射正时IT0表示的主喷射之后。在主喷射正时IT0之后发生的分喷射正时IT2以下称为“后喷射正时IT2”或“第二分喷射正时”。由后喷射正时(第二分喷射正时)IT2表示的后喷射有助于燃烧气体中的温度上升，因此允许未燃烧的气体在燃烧室、催化转化器301和柴油机颗粒过滤器(DPF)304内完全净化。
另一方面，进气门关闭正时IVC根据发动机工作条件进行控制，以便维持有效的压缩比ε′在最优值，从而防止燃烧速度过快增长。有效的压缩比ε′的控制有助于延长的预混合的时期，因此有效地抑制颗粒物质(PM)。另外，相位提前的排气门开启正时EVO导致废气温度上升，因此允许催化转化器301和DPF 304都快速启动。随着对于进气门关闭正时IVC和排气门开启正时EVO的发动机气门正时调整的同时，进气门开启正时IVO和排气门关闭正时EVC也进行控制。
参考图7，在此示出集成的发动机控制的框图，所述发动机控制在结合于该实施例的多级燃料喷射发动机中的发动机控制系统的ECU 6内执行，用于不仅改进发动机动力输出，而且改进燃烧过程。在能够改变进气门特性和排气门特性的可变气门致动控制(VVC)系统501内，进气门正时(IVC、IVO)和排气门正时(EVO、EVC)根据发动机工作条件即发动机速度V和发动机负荷L(例如由加速踏板位置传感器检测的加速踏板的下降量APS)进行控制。在能够调整或控制燃料喷射正时的燃料喷射系统505内，前喷射正时(第一分喷射正时)IT1和后喷射正时(第二分喷射正时)IT2根据发动机工作条件进行控制。
如从图7的框图可见，指示发动机速度V的信号和指示发动机负荷L的信号(例如加速踏板下降量APS)输入VVC系统501的控制块和燃料喷射系统505的控制块。在涉及发动机速度V和发动机负荷L的直到现在最近的信息的基础上，确定出至少包括燃料喷射系统的前喷射正时(第一分喷射正时)IT1在内的操纵变量Uf，并且确定的燃料喷射系统操纵变量Uf从燃料喷射系统505向发动机输出装置(或执行器)502例如喷射阀的压电元件输出。按类似的方式，在涉及发动机速度V和发动机负荷L的直到现在最近的信息的基础上，确定至少包含VVC系统的进气门关闭正时IVC在内的操纵变量Uv，并且确定的VVC系统的操纵变量Uv从VVC系统501向发动机输出装置(或执行器)502例如VVC系统的VTC机构的电动机315输出。实际上，在存储于表块(或检索块)504中的预编程的V-L-Uf查找表(或预编程的V-L-Uf图)中的发动机速度V和发动机负荷L的基础上确定或检索燃料喷射系统的操纵变量Uf。在存储于表块(或存储块)504中的预编程的V-L-Uv查找表(或预编程的V-L-Uv图)中的发动机速度V和发动机负荷L的基础上确定或检索VVC系统的操纵变量Uv。另外，在从预编程的查找表中检索操纵变量时，来自于凸轮轴传感器16的传感器信号11s也被利用，因此对来自于凸轮轴传感器16的传感器信号11s做出响应通过闭环控制的方式将凸轮轴相对于凸轮轴正时皮带轮的实际的相对相位控制或调整成期望的数值。
可以理解，作为发动机输出装置502的操纵变量有：(i)VVC系统501的操纵变量Uv，具体为排气门开启正时EVO、排气门关闭正时EVC、进气门开启正时IVO、进气门关闭正时IVC、排气门升程特性和进气门升程特性；(ii)燃料喷射系统505的操纵变量Uf，具体为每个喷射阀的燃料喷射量和燃料喷射正时。如前面讨论的，操纵变量Uf和Uv可以基于发动机速度V和发动机负荷L(加速踏板下降量APS)进行确定。当然，操纵变量Uf和Uv根据发动机的类型和特性发生变化。
为了改进柴油机中的排气排放物性能，大量残气的使用对于合适地阻滞燃烧速度是非常有效的，因此产生均匀混合的空气燃料混合物以及由此抑制黑烟和NOx排放物的产生。作为将大量残气供给到发动机缸内的方法，提高图1的EGR阀19的开度是有效的。为了提高残气在发动机缸内的比例，排气门关闭正时EVC可以相位提前成将大量的燃烧过的气体关闭在缸内。通常，EGR量和排气门关闭正时EVC的协同控制用于更精确地控制或调整缸内的残气量。进入缸内的空气量根据残气量发生变化。因此如从图7的框图可见，为了优化燃烧控制，所有的燃料喷射系统控制(包括燃料喷射量控制和燃料喷射正时控制)和VVC系统控制必需同时执行。
如果进气门关闭正时IVC是相位滞后的，那么之前引入到缸内的空气趋向于回流到进气系统20。其结果是，缸内的空气质量也下降。在这种条件下(IVC滞后)，燃料喷射量必须根据缸内空气质量的改变而合适地进行控制，所述空气质量的改变源于空气燃料混合物从缸内向进气系统20的回流。假设不考虑缸内空气质量的这种改变来控制燃料喷射量。这会不期望地导致空气燃料比(F/A混合比)偏离期望值，因此恶化排放物控制性能。为避免这种情况，在该实施例的多级燃料喷射内燃机中，随着对于VVC系统执行IVC控制的同时，对燃料喷射系统的燃料喷射量进行补偿，以便不仅协调发动机动力性能，而且协调排气排放物控制性能。
参照图8A至8B，其中示出的方案图涉及前喷射正时(第一分喷射正时)IT1和进气门关闭正时IVC并且与图7的检索块(表块)504相关。图8A是V-L-IT1查找表(V-L-IT1图)的方案图，显示第一分喷射正时IT1必须怎样根据发动机速度V和发动机负荷L被改变，而图8B是V-L-IVC查找表(V-L-IVC图)的方案图，显示进气门关闭正时IVC必须怎样根据发动机速度V和发动机负荷L被改变。在图8A中对于第一分喷射正时IT1有九个不同的分类的块(九个分开的区域或者九个确定的范围)，分别表示-190°曲轴转角、-170°曲轴转角、-160°曲轴转角、-150°曲轴转角、-150°曲轴转角、-150°曲轴转角、-40°曲轴转角、-150°曲轴转角和-150°曲轴转角。尽管对于第一分喷射正时IT1仅有九个分类的决，通过插值的方式可以在涉及发动机速度V和发动机负荷L的直到现在最近的信息的基础上精确地计算第一分喷射正时IT1。在图8B中对于进气门关闭正时IVC有九个不同的分类的块(九个分开的区域或者九个确定的范围)，分别表示-180°曲轴转角、-160°曲轴转角、-150°曲轴转角、-150°曲轴转角、-150°曲轴转角、-150°曲轴转角、-180°曲轴转角、-150°曲轴转角和-150°曲轴转角。尽管对于进气门关闭正时IVC仅有九个分类的块，通过插值的方式可以在涉及发动机速度V和发动机负荷L的直到现在最近的信息的基础上精确地计算进气门关闭正时IVC。利用插值有效地减小了ECU 6的内存(RAM、ROM)的存储量。
假设在第一分喷射正时(前喷射正时)IT1和进气门关闭正时IVC根据发动机工作条件(即发动机速度V和发动机负荷L)同时进行控制的情况下，发生在压缩冲程开始时的第一分喷射正时(前喷射正时)IT1与进气门关闭正时IVC相比是过多地相位提前的。在这种情况下，在第一分喷射期间喷射的燃料部分趋向于从缸内向进气系统20泄漏，因此降低热效率。另外假设在第二分喷射正时(后喷射正时)IT2和排气门开启正时EVO根据发动机工作条件同时进行控制的情况下，发生在排气冲程结束时的第二分喷射正时(后喷射正时)IT2与排气门开启正时EVO相比是过多地相位滞后的。在这种情况下，在第二分喷射期间喷射的燃料部分趋向于从缸内向排气系统泄漏，因此降低热效率。
另外，第一分喷射正时(前喷射正时)IT1和进气门关闭正时IVC的查找表均根据发动机工作条件(即发动机速度V和发动机负荷L)发生变化，这清楚地示于图8A至8B中。另外为了公开内容的简化起见，用于检索其他气门正时(EVO、EVC、IVO)和其他分喷射正时(IT2)的查找表的方案图被省略了。
如上所示，第一分喷射正时(前喷射正时)IT1和进气门关闭正时IVC均根据发动机工作条件发生变化。但是要注意，如从示于图9A至9B的预编程的查找表(或预编程的特性图)中看到，示于图9A中的预编程的第一分喷射正时IT1的表的划分和示于图9B中的预编程的进气门关闭正时IVC的表的划分通常设计成彼此不同的。例如假设在关于发动机速度V的直到现在最近的信息在1000rpm至2000rpm速度范围内的情况下，发动机负荷L从由“A”表示的工作范围内的一定负荷值改变成负荷值L0。假设作为图9A至9B的每个查找表中的纵坐标轴的变量(或参数)，使用共同的负荷值L，那么在用于第一分喷射正时IT1的控制变量与用于进气门关闭正时IVC的控制变量之间没有差的匹配(失配)的问题。相反地假设在图9A的IT1查找表中的纵坐标轴的变量(或参数)不同于图9B的IVC查找表中的纵坐标轴的变量(或参数)，那么在第一分喷射正时IT1的工作范围“A”与进气门关闭正时IVC的工作范围“C”之间有差的匹配的问题。由于这种失配(差的相位匹配)，第一分喷射正时IT1与进气门关闭正时IVC相比趋向于过多地相位提前，并且从而在第一分喷射期间喷射的燃料部分趋向于从缸内向进气系统20泄漏。在所示实施例中，作为分别用于图9A的查找表(图)的IT1检索和图9B的查找表(图)的IVC检索的输入变量或参数(即纵坐标轴的变量和横坐标轴的变量)，使用共同的变量即发动机负荷L和发动机速度V。换言之，在共同的变量V和L的基础上确定VVC系统的至少包含排气门开启正时EVO、排气门关闭正时EVC、进气门开启正时IVO和进气门关闭正时IVC在内的操纵变量Uv以及燃料喷射系统的包含第一分喷射正时(前喷射正时)IT1、主喷射正时IT0和第二分喷射正时(后喷射正时)IT2在内的操纵变量Uf。因此，该实施例的系统保证在用于从图9A的表(图)中检索的第一分喷射正时IT1的控制变量和用于从图9B的表(图)中检索的进气门关闭正时IVC的控制变量之间良好的匹配。按这种方式，通过对于VVC系统的控制变量(例如EVO、EVC、IVO、IVC)和燃料喷射系统的控制变量(IT1、IT0、IT2)的精确的协同控制，可以防止第一分喷射正时IT1与进气门关闭正时IVC相比过多地提前，因此避免在第一分喷射期间喷射的燃料部分向进气系统20的不期望的泄漏。另外可以防止第二分喷射正时IT2与排气门开启正时EVO相比过多地滞后，因此避免在第二分喷射期间喷射的燃料部分向排气系统的不期望的泄漏。其结果是，可以有效地防止热效率下降。
在示于图9A的IT1查找表和示于图9B的IVC查找表中，例如接近65％至70％范围的发动机负荷L时，有可能第一分喷射正时IT1与进气门关闭正时IVC相比是过多地相位提前的。在65％至70％范围的这种负荷条件下，假设作为分别用于图9A的查找表的IT1检索和图9B的查找表的IVC检索的输入变量或参数，不使用共同的变量即发动机负荷L和发动机速度V。这会恶化用于从图9A的表中检索的第一分喷射正时IT1的控制变量与用于从图9B的表中检索的进气门关闭正时IVC的控制变量之间的匹配，因此降低IT1查找表和IVC查找表的精确检索。这意味着，喷射的燃料部分从缸内经由进气门9向进气系统20泄漏的上升趋势。相反在所示的实施例中，作为分别用于IT1查找表的检索(见图9A)和IVC查找表的检索(见图9B)的输入变量或参数，使用共同的变量即发动机负荷L和发动机速度V。因此在该实施例的多级燃料喷射发动机中，可以防止在第一分喷射期间喷射的燃料部分从缸内经由进气门9向进气系统20的不期望的泄漏，以及防止在第二分喷射期间的燃料部分从缸内经由排气门10向排气系统的不期望的泄漏。
如从图9A至9B的查找表中可见，有多个在发动机工作条件(即发动机速度V和发动机负荷L)的基础上分类或确定的工作范围。例如在图9A至9B的查找表中，基本上与多级燃料喷射发动机的每一发动机工作区域相对应的特定的发动机工作区域的第一范围分类或确定为由“A”表示的第一工作范围，而特定的发动机工作区域的第二范围另外分类或确定为由“B”表示的第二工作范围。也就是说，两个不同地确定的发动机工作范围“A”和“B”在图9A至9B中提供。
在第一工作范围“A”，一个发动机工作循环的各燃料喷射正时之一例如第一分喷射正时(前喷射正时)IT1设定成与进气门关闭正时IVC和排气门开启正时EVO中的任意一个具有预定的第一关系。例如在第一分喷射正时IT1是负190°曲轴转角的情况下，该预定的第一关系相应于进气门关闭正时IVC是负180°曲轴转角时的情况。
在第二工作范围“B”，一个发动机工作循环的各燃料喷射正时之一例如第一分喷射正时(前喷射正时)IT1设定成与进气门关闭正时IVC和排气门开启正时EVO中的任意一个具有预定的第二关系。例如在第一分喷射正时IT1是负170°曲轴转角的情况下，该预定的第二关系相应于进气门关闭正时IVC是负160°曲轴转角时的情况。
通过优化设置燃料喷射正时(例如IT1)和发动机气门正时(例如IVC)，完全考虑VVC系统的控制变量(例如IVC)的设定与燃料喷射系统的控制变量(例如IT1)的设定之间的相关性，在这两个不同的正时(例如IT1和IVC)之间的内在关系(相互关系)变得清楚。燃料喷射系统的控制变量(例如IT1)和VVC系统的控制变量(例如IVC)被优化地安排时间，因此有效地防止在第一分喷射期间喷射的燃料部分从缸内经由进气门9向进气系统20的不期望的泄漏。按类似的方式，通过优化地设定燃料喷射正时(例如IT2)和发动机气门正时(例如EVO)，完全考虑VVC系统的控制变量(例如EVO)的设定与燃料喷射系统的控制变量(例如IT2)的设定之间的相关性，在这两个不同的正时(例如IT2和EVO)之间的内在关系(相互关系)变得清楚。燃料喷射系统的控制变量(例如IT2)和VVC系统的控制变量(例如EVO)被优化地安排时间，因此有效地防止在第二分喷射期间喷射的燃料部分从缸内经由排气门10向排气系统的不期望的泄漏。
如上面讨论的，燃料喷射系统的喷射正时(IT1、IT0、IT2)和VVC系统的发动机气门正时(EVO、EVC、IVO、IVC和/或进气门正时和升程特性和排气门正时和升程特性)可以被实时地控制，同时检索预编程的查找表。但是发动机缸内的空气燃料混合物的、响应于对各发动机气门(进气门9和排气门10)的控制命令产生的状态改变趋向于滞后，这是由于VVC系统的机械响应滞后。假设确定燃料喷射正时，而不完全考虑VVC系统的机械响应滞后。在这样的情况下，燃料喷射(例如喷射量和喷射正时)不匹配于发动机缸内的空气燃料混合物的状态。这恶化了热效率。如通常公知的，由于不同的因素例如发动机气门工作系统的机械响应滞后和电响应滞后以及在进气系统和排气系统中的液力的滞后等，在控制命令信号已经从ECU向VVC系统的输出级(执行器)输出之后直到缸内的空气燃料混合物的状态实际改变，存在时间滞后。与具有各种响应滞后的VVC系统相比，图2的允许高精度多级燃料喷射的高灵敏度的燃料喷射系统可以控制或调整喷射正时和喷射量，而没有任何时间滞后。因此，在VVC系统和燃料喷射系统之间的协同控制(相关控制)对于消除或避免高灵敏度燃料喷射系统与低灵敏度VVC系统之间的工作速度差是实质性的或不可缺少的。
对测量进入发动机缸的空气数量Qa的气流传感器17的传感器信号、检测加速踏板下降量APS的加速踏板位置传感器的传感器信号以及可由此检测发动机速度的曲轴转角传感器5的传感器信号做出响应，控制从燃料喷射阀4喷射的燃料质量。另外，考虑EGR阀19的状态(即基本上对应于EGR量的EGR阀开度)和包含在增压系统内的涡轮增压器18的状态(即由涡轮增压器18产生的升压和增压空气的温度)，确定燃料质量和喷射正时。当然，进入发动机缸的空气数量Qa由于进气门关闭正时IVC和进气门开启正时IVO的改变而发生变化。喷射量和喷射正时必须响应于进气门正时IVC和IVO的改变而发生改变。为此，凸轮轴传感器16的传感器信号输入ECU 6，以便响应于VVC系统的VTC机构的相位(换言之，关于进气门关闭正时IVC的直到现在最近的信息)改变燃料喷射量。在柴油机的单冲程喷射的情况下，如图6所示，燃料喷射模式被分类成前喷射区域(第一分喷射IT1区域)、主喷射IT0区域和后喷射区域(第二分喷射IT2区域)。作为选择，在柴油机的单冲程喷射的情况下，燃料喷射模式可以被分类成先导喷射区域(第一分喷射IT1区域)、前喷射区域、主喷射IT0区域、后喷射区域和再后喷射区域(第二分喷射IT2区域)。多级燃料喷射模式根据发动机工作条件发生变化。在示于图7的燃料喷射系统505中，基本上相应于喷射系统操纵变量的燃料喷射模式被作为进气门关闭正时IVC的函数f(IVC)。通过使用代表燃料喷射模式与进气门关闭正时IVC之间关系的预定的或预编程的函数f(IVC)，进气门关闭正时IVC的改变会立即反映为燃料喷射模式(包含燃料喷射量和燃料喷射的次数)的改变。
如从图7的框图可见，燃料喷射系统505的控制块和VVC系统501的控制块彼此连接，用于相互通信和协同控制。也设有相位角传感器，它能够检测指示进气门9和/或排气门10的开启/关闭状态或进气门9和/或排气门10的气门升程状态的信息。例如作为相位角传感器，在所示实施例中，使用凸轮轴传感器16(见图1)。在相位角传感器(凸轮轴传感器16)的传感器信号11s的基础上，电子控制单元的处理器计算或估计进气门关闭正时IVC和/或排气门开启正时EVO。指示所计算的IVC和/或所计算的EVO的信息数据信号从表块(检索块)504经由VVC系统501的控制块传递到燃料喷射系统505的控制块。响应于相位角传感器(凸轮轴传感器16)的传感器信号11s的改变，一个发动机工作循环的多个燃料喷射正时之一例如第一分喷射正时(前喷射正时)IT1进入与进气门关闭正时IVC和排气门开启正时EVO中的任意一个的协同控制(相关控制)。通过高灵敏度燃料喷射系统的控制变量与低灵敏度VVC系统的控制变量之间的协同控制，可以消除燃料喷射系统与VVC系统之间的工作速度差，换言之，避免低灵敏度VVC系统的控制灵敏度与高灵敏度燃料喷射系统的控制灵敏度的偏差。另外，通过前面讨论的协同控制(相关控制)，即使在瞬时的发动机工作条件下也可以有效地防止VVC系统和燃料喷射系统的控制特性恶化。
除了上面所述的，在该实施例的多级燃料喷射发动机中，发动机气门正时(IVC、EVO)在相位角传感器(凸轮轴传感器16)的传感器信号11s的基础上进行计算或估计并且看作为实际的发动机气门正时值，如果在所述发动机气门正时(IVC、EVO)与其在发动机工作条件基础上确定的期望的气门正时值(或目标气门正时值)之间的差变得大于或等于预定的界限值，按该实施例的集成的控制系统，可以可靠地消除燃料喷射系统与VVC系统之间的工作速度差，换言之，消除低灵敏度VVC系统的控制灵敏度与高灵敏度燃料喷射系统的控制灵敏度的偏差，这是通过执行前面讨论的在分喷射正时(IT1、IT2)与发动机气门正时(IVC、EVO)之间的协同控制(相关控制)实现的。因此既使在瞬时的发动机工作条件下也可以有效地可靠地避免VVC控制系统和燃料喷射控制系统的不期望的振荡(不期望的猎振)。
现在参照图10，其中示出在与该实施例的多级燃料喷射发动机的集成的发动机控制系统相结合的ECU 6内执行的IVC-IT1控制例行程序。图10的IVC-IT1控制例行程序执行为每隔预定的时间间隔例如10毫秒要被触发的时间触发的中断例行程序。
首先读出发动机工作条件即发动机速度V和发电机负荷L。
在步骤1001，进行检查，以确定是否发动机1在非常轻的负荷和低速的状态例如怠速状态。如果步骤1001的答案是肯定的(是)，即当发动机1在非常轻的负荷和低速的状态(例如怠速状态)时，例行程序从步骤1001向步骤1002进行。相反地，如果步骤1001的答案是否定的(否)，那么程序退出例行程序。
在步骤1002，均适合于当前的发动机工作条件(换言之，关于发动机速度V和发电机负荷L的直到现在最近的信息)的进气门关闭正时IVC的期望值和第一分喷射正时IT1的期望值从图9B的预编程的IVC查找表和图9A的预编程的IT1查找表中算术地进行计算。
在步骤1003，在当前执行循环中的实际的进气门关闭正时IVC在凸轮轴传感器16的传感器信号的基础上进行检测、提取或估计。
在步骤1004，进行检查，以确定是否在期望的进气门关闭正时与实际的进气门关闭正时之间的差(精确地为期望的IVC与实际的IVC之间的差的绝对值)变得大于或等于预定的界限值α。如果步骤1004的答案是肯定的(是)，那么例行程序从步骤1004向步骤1005进行。步骤1001至1004重复执行，直到期望的进气门关闭正时与实际的进气门关闭正时之间的差超过预定的临界值α的时候为止。
在步骤1005，用于进气门关闭正时IVC的开关信号被发出。通过步骤1004可以有效地可靠地避免VVC控制系统和燃料喷射控制系统的不期望的振荡(不期望的猎振)。这也有助于VVC系统控制的简化和稳定以及燃料喷射系统控制的稳定。
在步骤1006，实际的进气门关闭正时IVC又被检测，以便检查实际的IVC向期望的IVC的接近。
在步骤1007，进行检查，以确定是否在实际的进气门关闭正时与期望的进气门关闭正时之间的差(精确地为实际的IVC与期望的IVC之间的差的绝对值)变得小于或等于预定的界限值Δ。如果步骤1007的答案是肯定的(是)，那么例行程序从步骤1007向步骤1008进行。步骤1006至1007重复执行，直到实际的IVC与期望的IVC之间的差变得小于或等于预定的界限值Δ时为止。
在步骤1008，用于第一分喷射正时IT1的开关信号第一次输出。
根据图10的前面讨论的IVC-IT1的协同控制的例行程序，可以避免在实际的进气门关闭正时IVC与实际的第一分喷射正时IT1之间的差的匹配(失配)的问题，因此既使在瞬时的发动机工作条件下也有效地防止VVC系统和燃料喷射系统的控制特性恶化。
图11示出的控制流涉及第一分喷射正时IT1关于进气门关闭正时IVC的协同控制(相关控制)的例行程序，其中，进气门关闭正时IVC根据发动机工作条件进行控制，同时对根据进气门关闭正时IVC控制被改变或控制的进气门关闭正时IVC做出响应对第一分喷射正时IT1进行控制。另一方面，图12示出的预编程的特性图涉及关于发动机速度V和发动机指示力矩(即发动机负荷L)的进气门关闭正时IVC的相位改变(相位提前/相位滞后)与第一分喷射正时IT1的相位改变(相位提前或相位滞后)的组合特性。在图12中，工作范围(I)是IVC相位提前加上IT1相位提前的区域，工作范围(II)是IVC相位滞后加上IT1相位提前的区域，工作范围(III)是IVC相位滞后加上IT1相位滞后的区域，工作范围(IV)是IVC相位提前加上IT1相位滞后的区域。
在示于图11中的与IVC控制关联或相互关联的IT1协同控制(相关控制)的例行程序的步骤1101，读出发动机工作条件即发动机速度V和发电机负荷L。
在步骤1102，进行检查，以确定是否发动机1在非常轻的负荷和低速的状态例如怠速状态。如果步骤1102的答案是肯定的(是)，即当发动机1在非常轻的负荷和低速的状态(例如怠速状态)时，例行程序从步骤1102向步骤1103进行。相反地，如果步骤1102的答案是否定的(否)，那么例行程序从步骤1102向步骤1105进行。
在步骤1103，进气门关闭正时IVC朝下止点(BDC)附近的正时值是相位提前的。
在步骤1103随后执行的步骤1104中，第一分喷射正时IT1响应于进气门关闭正时IVC的相位提前是相位滞后的，以便提高有效的压缩比ε′。这使得在第一分喷射期间喷射的燃料部分从缸内向进气系统20的不期望的回流最小，因此在非常轻的负荷和低速范围例如怠速时在每个发动机工作循环中有效地抑制燃烧的波动。这意味着怠速期间提高的燃烧稳定性。有效压缩比ε′的提高也有助于发动机起动性的提高。
在步骤1105，进行检查，以确定是否关于发动机负荷L的直到现在最近的信息数据信号值小于或等于预定的负荷值L1，该预定的负荷值大于基本上对应于怠速的非常轻的负荷值Li。如果步骤1105的答案是肯定的(L≤L1)，那么例行程序从步骤1105向步骤1106进行。相反地，如果步骤1105的答案是否定的(L＞L1)，那么例行程序从步骤1105向步骤1108进行。
在步骤1106，进气门关闭正时IVC是相位滞后的，以降低在轻负荷工作(L≤L1)期间的有效压缩比ε′。这会降低机械能量损失例如泵气损失，因此提高燃料经济性。
在步骤1106随后执行的步骤1107中，第一分喷射正时IT1响应于进气门关闭正时IVC的相位滞后是相位滞后的，以便获得空气燃料混合物的改善的形成，同时抑制在第一分喷射期间喷射的燃料部分从缸内向进气系统20的不期望的回流。这有助于排放物控制性能的稳定。在低负荷(L≤L1)和高速工作期间，通过惯性增压的方式增加的增压空气数量有增加的趋势(增加的空气压力通常称为“进气冲压压力”)。另一方面，在低负荷(L≤L1)和高速工作期间，为了抑制由于有效压缩比ε′的减小而引起的NOx排放物的形成，进气门关闭正时IVC是相位滞后的(见步骤1106)。同时，通过两个不同系统的正时IVC与IT1的协同控制(相关控制)，第一分喷射正时IT1也是相位滞后的，以避免进气门关闭正时IVC与第一分喷射正时IT1之间的差的匹配的问题，因此有效地抑制或避免在第一分喷射期间喷射的燃料部分向进气系统20的不期望的泄漏以及避免空气燃料混合物流的不期望的改变的过程。
在步骤1108，进行检查，以确定是否关于发动机速度V的直到现在最近的信息数据信号值小于或等于预定的速度值V1。如果步骤1108的答案是肯定的(V≤V1)，那么例行程序从步骤1108向步骤1109进行。相反地，如果步骤1108的答案是否定的(V＞V1)，那么例行程序从步骤1108向步骤1111进行。
在步骤1109，进气门关闭正时IVC朝下止点(BDC)附近的正时值是相位提前的，以便降低从发动机缸向进气系统20回流的空气数量。这有助于充入的空气数量的提高，即充气效率的提高，换言之，在高负荷的低速的范围内的发动机动力输出的提高(发动机力矩输出的提高)。
在步骤1109随后执行的步骤1110中，第一分喷射正时IT1响应于进气门关闭正时IVC的相位提前是相位提前的，以便延长燃料蒸发时间，因此促进燃料的蒸发。这有效地抑制黑烟的产生。假设第一分喷射正时IT1在高负荷的低速的工作期间响应于进气门关闭正时IVC的相位提前不是相位提前的，有可能燃料在最差的正时喷射，此时缸内的空气燃料混合物流已经稀释或削弱并且因此燃料蒸发性能恶化。
在由L＞L1和V＞V1确定的高速高负荷条件下启动的步骤1111中，进气门关闭正时IVC是相位滞后的，以便增加通过惯性增压(增加的空气压力，即“进气冲压压力”)方式增加增压空气的数量，因此提高发动机动力输出。
在步骤1111随后执行的步骤1112中，第一分喷射正时IT1响应于进气门关闭正时IVC的相位滞后是相位提前的，以便保证在高速高负荷工作期间延长燃料喷溅的蒸发时间，在该高速高负荷工作中必须增加要求的燃料数量，因此促进燃料的蒸发。这有助于燃料与空气的充分的预混合，从而有效地抑制黑烟、颗粒物质(PM)的产生。
图13示出的控制流涉及第二分喷射正时IT2关于排气门开启正时EVO控制的协同控制(相关控制)的例行程序，其中排气门开启正时EVO根据发动机工作条件进行控制，同时对根据排气门开启正时EVO控制进行改变或控制的排气门开启正时EVO做出响应对第二分喷射正时IT2进行控制。另一方面，图14示出的预编程的特性图涉及关于发动机速度V和发动机指示力矩(即发动机负荷L)的排气门开启正时EVO的相位改变(相位提前/相位滞后)与第二分喷射正时IT2的相位改变(相位提前/相位滞后)的组合特性。在图14中，工作范围(I)是EVO相位滞后加上IT2相位滞后的区域，工作范围(II)是EVO相位提前加上IT2相位提前的区域，工作范围(III)是EVO相位提前加上IT2相位滞后的区域。工作范围(III)相应于冷发动机的工作区域。在图14中，在特定条件下，此时催化剂温度TCAT过高并且超过预定的温度界限值T1，在每个发动机工作区域即在所有的工作范围(I)至(III)中，排气门开启正时EVO是相位滞后的，而第二分喷射正时IT2是相位提前的。
在示于图13的与EVO控制关联或相互关联的IT2协同控制(相关控制)的例行程序中，首先，读出发动机工作条件即发动机速度V和发电机负荷L。
在步骤1301，进行检查，以确定是否催化剂温度TCAT正常(TCAT≤T1)或不正常(TCAT＞T1)。如果催化剂温度TCAT正常(TCAT≤T1)，那么例行程序从步骤1301向步骤1302进行。相反地，如果催化剂温度TCAT不正常(TCAT＞T1)，那么例行程序从步骤1301向步骤1308进行。
在步骤1302，进行检查，以确定是否发动机1是冷的。在冷发动机工作期间(或在冷起动工作期间)，例行程序从步骤1302向步骤1310进行。如果发动机1不是冷的，那么例行程序从步骤1302向步骤1303进行。
在步骤1303，进行检查，以确定是否关于发动机速度V的直到现在最近的信息数据信号值小于或等于预定的速度值V2。如果步骤1303的答案是肯定的(V≤V2)，那么例行程序从步骤1303向步骤1306进行。相反地，如果步骤1303的答案是否定的(V＞V2)，那么例行程序从步骤1303向步骤1304进行。
在由V＞V2确定的高速条件下特别是在暖机之后的高速条件下启动的步骤1304中，排气门开启正时EVO是相位提前的，因此抑制或降低排气损失，因此提高在高速工作时的发动机力矩输出。
在步骤1304随后执行的步骤1305中，第二分喷射正时IT2响应于排气门开启正时EVO的相位提前是相位提前的，以便有效地抑制由于排气门开启正时EVO相位提前使得在第二分喷射时期喷射的燃料部分从缸内向排气系统的泄漏。既使在暖机之后的高速工作时这也有助于催化剂温度的稳定。
在由V≤V2确定的低速条件下特别是在暖机之后的低速条件下启动的步骤1306中，排气门开启正时EVO是相位滞后的，以便提高膨胀功，因此在暖机之后的低速工作时提高发动机力矩输出。
在步骤1306随后执行的步骤1307中，第二分喷射正时IT2响应于排气门开启正时EVO的相位滞后是相位滞后的，以便向催化转化器301和柴油机颗粒过滤器304提供适量的未燃烧的气体，用于通过未燃烧的气体在排气系统中的燃烧来快速活化催化剂，因此使排放物控制性能稳定。假设第二分喷射正时IT2在暖机之后的低速工作期间响应于排气门开启正时EVO的相位滞后不是相位滞后的，那么有可能要在排气系统中燃烧的未燃烧气体的燃烧速度显著减小，并且从而发生催化剂升温(活化)的延迟。
在过高的催化剂温度(TCAT＞T1)的条件下启动的步骤1308中，排气门开启正时EVO是相位滞后的，以便降低废气温度。
在步骤1308随后执行的步骤1309中，第二分喷射正时IT2响应于排气门开启正时EVO的相位滞后是相位提前的，或者响应于排气门开启正时EVO的相位滞后停止第二分喷射(发生在主喷射正时IT0之后的后喷射)，以便减小要提供给催化转化器301和DPF 304的未燃烧的燃料量或者停止向催化转化器301和DPF 304提供未燃烧的燃料(停止提供未燃烧的气体)，因此防止由于未燃烧燃料的快速燃烧而损坏催化转化器301和DPF 304。
在冷发动机工作时启动的步骤1310中，排气门开启正时EVO是相位提前的。
在步骤1310随后执行的步骤1311中，第二分喷射正时IT2响应于排气门开启正时EVO的相位提前是相位滞后的，以便增加废气中未燃烧的气体的量，因此促进催化转化器301中的温度上升和DPF 304中的温度上升，用于在冷发动机工作期间快速活化催化剂。即当为了快速的催化剂的升温而使排气门开启正时EVO提前时，可以有效地提高或促进在第二分喷射期间喷射的燃料由于第二分喷射正时IT2的滞后而向排气系统的泄漏，因此通过在排气系统中的未燃烧气体的燃烧的方式保证催化剂的加速的升温。
在两冲程循环的压燃的发动机例如两冲程循环的柴油机中，每次曲轴旋转(360度曲轴转角)完成一个工作循环的各动作即进气和压缩冲程以及做功和排气冲程。在第一个180度的曲轴转角范围期间(在0°至180°的曲轴转角范围内)，产生进气和压缩冲程。在随后的180度曲轴转角范围期间(在180°至360°的曲轴转角范围内)，产生做功和排气冲程。喷溅的燃料的自燃在对应于180度曲轴转角的TDC之前发生。对于每次曲轴旋转，进气门9的气门开启动作和排气门10的气门开启动作执行一次。因此，在两冲程循环发动机中，在图1中的凸轮轴正时皮带轮14被曲轴以曲轴2的相同转动速度进行驱动。两冲程循环压燃发动机的另一结构类似于四冲程循环压燃发动机的结构。在两冲程循环压燃发动机中，如果进气门关闭正时IVC较接近BDC，充入缸内的气体(空气)在充入的气体的质量较大的条件下进行压缩，因此增加或提高有效压缩比ε′。相反，如果进气门关闭正时IVC关于BDC是相位滞后的，对于进气系统20中相同的内压，充入缸内的气体(空气)的数量有被减少的趋势，因此降低或减少有效压缩比ε′。
因此有必要注意充入发动机1的缸内的空气数量根据进气门关闭正时IVC发生改变。如果进气门关闭正时IVC是滞后的，那么充入发动机1内的空气数量变小。因此完全考虑进气门关闭正时IVC，有必要合适地控制燃料喷射量。因此，除发动机速度V和发动机负荷L(例如加速踏板下降量APS)之外至少对凸轮轴传感器16和气流传感器17的传感器信号做出响应，补偿燃料喷射量，因此实现稳定的空气燃料混合(A/F)比，并且因此防止或抑制黑烟的产生。
如前面讨论的，充入缸内的空气数量根据进气门关闭正时IVC发生变化。因此，完全考虑空气燃料混合(A/F)比，燃料喷射量必须响应于IVC相位改变而发生变化。实际上，从燃料喷射阀4喷射的燃料质量根据各因素进行控制或改变，所述因素是由气流传感器17测量的进入发动机缸的空气数量Qa、加速踏板下降量APS和由曲轴转角传感器5检测的发动机速度V。优选除了上述传感器信号外，EGR阀19的状态(即EGR阀的开度)和涡轮增压器18的涡轮增压状态(例如升压)可以考虑用于确定喷射燃料的质量和喷射正时。当然，在进气门开启正时IVO发生改变以及进气门关闭正时IVC发生改变的情况下，有必要合适地改变燃料喷射正时和燃料喷射量。
由于上面讨论的原因，从凸轮轴传感器16输入到ECU 6的输入端的传感器信号对于执行VTC相位控制(即IVC相位控制)以及对于执行电子燃料喷射控制(喷射量/喷射正时控制)是重要的，所述电子燃料喷射控制响应于根据进气门关闭正时IVC控制进行改变或控制的进气门关闭正时IVC。例如在柴油机的单冲程喷射的情况下，燃料喷射模式被分类成先导喷射区域、前喷射区域、主喷射区域、后喷射区域和再后喷射区域。燃料喷射模式根据发动机工作条件发生改变。在示于图7的框图的燃料喷射系统505中，燃料喷射模式作为进气门关闭正时IVC的函数f(IVC)。通过使用表示燃料喷射模式与进气门关闭正时IVC之间的关系的预定的或预编程的函数，进气门关闭正时IVC的改变可以显著地反映为燃料喷射模式(包括燃料喷射量和燃料喷射次数)的改变。
现在参考图15，其中示出在结合于多级燃料喷射发动机中的发动机控制系统的ECU 6内执行的集成的发动机控制的修改的框图，以改进发动机动力输出和燃烧过程。图15的修改的框图类似于图7的框图，除了在图15的框图中增压系统506的控制块是另外增加的并且图7的表块504还被发动机模型块504M取代。因此用于在图7的框图中命名各块的相同块标号也被采用为在图15的修改的框图中使用的相应块标号，以便比较这两种不同的框图。块506和504M在后面参照附图详细说明，同时块501、502和505的详细说明被省略，因为上面对它们的说明差不多是意义自明的。
增压系统506(包括涡轮增压器18和具有EGR阀19的EGR系统)的控制决经由燃料喷射系统505的控制块和VVC系统501的控制块连接至发动机模型块504M，用于增压系统506、燃料喷射系统505和VVC系统501之间的协同控制。作为这些系统之间的协同控制的结果，确定增压系统506的操纵变量Uc，(i)涡轮增压器18的操纵变量，具体为涡轮增压器18的转动速度、涡轮增压器18的废气旁通阀的开度、涡轮增压器18的可变截面喷嘴涡轮的喷嘴开度等，和(ii)EGR系统的操纵变量，具体为EGR阀19的阀开度。因此通过VVC系统控制的方式调整残气量，既使在EGR的温度发生变化时，也可以优化地保持废气再循环(EGR)的量与升压之间的相互关系。因此不仅可以协调减少的排气排放物，而且可以协调增加的发动机动力输出。按这种方式，通过燃料喷射系统505的操纵变量Uf、VVC系统501的操纵变量Uv和增压系统506的操纵变量Uc之间的精确的协同控制(相关控制)，在发动机工作条件的宽范围内可以防止在第一分喷射期间喷射的燃料部分从缸内经由进气门9向进气系统的不期望的泄漏，以及可以避免在第二分喷射期间的燃料部分从缸内经由排气门10向排气系统的不期望的泄漏。这有效地防止热效率下降。发动机模型块504在借助于缸内压力传感器检测或测量的缸内压力cp的检测值的基础上估计燃烧状态。然后发动机模型块504M在估计的燃烧状态的基础上确定是否进气门关闭正时IVC、第一分喷射正时(前喷射)IT1、排气门开启正时EVO和第二分喷射正时(后喷射)IT2的当前值是最优值。如果操纵变量IVC、IT1、EVO和IT2中的至少一个偏离其最优值，那么存储在相关的查找表(如图9A至9B所示)中的信息数据被合适地修改，以优化燃烧状态。
现在参考图16，其中示出连续可变的气门动作和升程控制(VEL)机构，它可以同时连续改变气门升程和工作角(即气门升起的时期)，它可以应用于该实施例的多级燃料喷射发动机的VVC系统。这种VEL机构已经公开于日本专利临时公布No.2004-076618(对应于日本专利申请No.2002-235400)和日本专利临时公布No.2006-057535(对应于No.2004-240262)中。图16中的VEL机构是配备复位弹簧的具有复位弹簧201的VEL机构。如从图16的透视图可见，每个缸安装两个进气门9。两个进气门9的动作是相同的并且只要发动机运转就继续下去。在四冲程循环发动机中，驱动轴202被发动机曲轴以曲轴2的转动速度的1/2驱动。在两冲程循环发动机的情况下，驱动轴202被发动机曲轴以曲轴2的相同的转动速度驱动。图16的VEL机构可以与可变相位控制装置(例如液压工作的旋转叶片式VTC机构或者如图5所示的电动机驱动的螺旋盘式VTC机构)相结合。当图16的VEL机构与示于图5中的VTC机构(可变相位控制装置)相结合时，VTC机构通常插入或安装在驱动轴202与凸轮轴正时皮带轮14之间。在VEL机构与VTC机构相结合的情况下，进气门9的相位(即进气门开启正时IVO和进气门关闭正时IVC)和进气门9的工作角和升程特性可以同时自动地进行控制或调整。VEL机构和VTC机构单独地或者组合地可以用作为可变气门致动机构。驱动轴202的转动经由偏心凸轮212、连杆臂216和摇臂203转化成输出凸轮(经常称为“可摇动的凸轮”)204的振动。输出凸轮204的振动经由挺杆(气门挺柱)213进一步转化成进气门9的气门升程(开启/关闭动作)。摇臂203连接至偏心凸轮211，该偏心凸轮与摇臂203的圆柱形的内圆周部分可滑动地配合，使得摇臂203的支点可通过转动控制轴206改变，并且从而改变输出凸轮204的凸轮升程。图16的配备复位弹簧的VEL机构使用从转动运动到直线运动的转换器，例如球轴承螺旋机构，用于改变控制轴206的角相位。从转动运动到直线运动的转换器(球轴承螺旋机构)由至少一个蜗杆轴207(即带有螺旋沟槽的球轴承轴)、循环球螺母214、设置在所述螺旋沟槽中的循环球(未示出)以及与球轴承轴207传动连接的姿态转变执行器210构成。通过姿态转变执行器210转动球轴承轴207会产生螺母214的轴向运动。螺母214的轴向运动经由连接机构(未标记)转化成控制轴206的旋转运动。设置一个位置传感器(或控制轴的相位角传感器)215，用于检测控制轴206的实际角位置。位置传感器215的传感器信号输入到ECU 6的输入端，用于闭环控制姿态转变执行器210，使得进气门9的实际的工作角和升程特性可以更接近期望的特性。在图16的配备复位弹簧的VEL机构中，在姿态转变执行器210失电并且从而没有力矩从执行器施加到球轴承轴207上的情况下，螺母214通过复位弹簧201的弹簧力在箭头指示的方向上轴向移动。通过螺母214沿箭头指示的方向的轴向移动，控制轴206逆时针转动，直到一个固定连接至控制轴206的顶端上的止挡销208与固定连接至发动机缸盖上的止挡器209贴合。按这种方式，随着执行器210失电，控制轴206可以借助于复位弹簧201总是保持在其弹簧加载的位置(即初始的角位置)上。
现在参考图17，其中示出工作角和升程特性，换言之，在图16的VEL机构用作为进气门侧的气门工作机构时获得的气门动作和升程(VEL)特性。由附图标记1703表示的VEL特性(见图17中的虚线表示的特性曲线)对应于在发动机起动期间给定的进气门工作角和升程特性(简单地为气门升程特性)。在随着姿态转变执行器210失电使得止挡销208与止挡器209贴合并且从而控制轴206保持在弹簧加载的位置上的条件下，进气门9的VEL特性设定成由附图标记1702表示的相对较小的气门升程特性。在该条件下，进气门9的气门升程特性通过配备复位弹簧的VEL机构合适地进行补偿和收缩，使得进气门关闭正时IVC关于活塞的BDC位置是相位提前的，并且从而发动机处于保证可起动性的控制状态。即由于使用图16的VEL机构，可以肯定地实现在图12示出的工作范围(IV)内即在发动机怠速期间或发动机起动期间所要求的进气门关闭正时IVC的相位提前。相反地，如果进气门9的气门升程特性通过配备复位弹簧的VEL机构合适地调整和膨胀成最大的升程特性，那么进气门9的工作角也增加，并且结果进气门关闭正时IVC设定成从BDC位置相位滞后的正时值(见图17中的实线指示的特性曲线1701)。如从图17的右侧的进气门升程特性可见，气门升程特性(工作角和气门升程)可以根据发动机1的工作条件通过控制VEL机构的姿态转变执行器210的工作来膨胀(增加)或收缩(减小)。如果执行器210失电，以允许球轴承轴207自由转动，那么控制轴206通过复位弹簧201的弹簧力转动到弹簧加载的角位置并且保持在该弹簧加载的位置，此时进气门关闭正时IVC设定成基本上对应于活塞的BDC位置的正时值(即IVC≈BDC)。如上面讨论的，既使当仅仅VEL和VTC机构中的VEL机构用在VVC系统中，进气门关闭正时IVC也可以仅通过VEL机构容易地关于BDC相位提前，以产生有效压缩比ε′的上升。有效压缩比ε′的上升有助于良好的起动性和提高的发动机怠速性能。既使通过仅使用VEL机构，也可以将气门升程特性从最大特性曲线1701向最小特性曲线1702连续地改变，以便连续地改变进气门关闭正时IVC的相位。在进气门关闭正时IVC与工作角和升程特性之间存在一一对应。因此借助于控制轴的相位角的传感器(即位置传感器215)可以精确地检测或估计实际的进气门关闭正时IVC。
下面解释通过VEL和VTC机构的组合系统获得的多种优点。假设VEL和VTC机构中仅仅VTC机构用在VVC系统中，并且进气门关闭正时IVC是相位提前或相位滞后的。通过仅使用VTC机构，进气门开启正时IVO与IVC相位提前/相位滞后对应地也是相位提前的或相位滞后的。假设VEL和VTC机构中仅仅VEL机构用在VVC系统中，并且进气门关闭正时IVC是相位改变的。通过仅仅使用VEL机构，工作角也随着IVC相位改变的同时发生改变。也就是说，如果进气门关闭正时IVC通过使用VEL和VTC机构中的任一个被改变，有可能进气门开启正时IVO不能调整或控制成目标值。由于上面讨论的原因，VEL和VTC机构组合的使用对于进气门正时IVC和IVO的优化的高精度控制是有效的。例如假设由IVC≈BDC确定的条件必须仅通过VEL机构实现或达到。在这种情况下，气门升程特性设定成最小的气门升程特性曲线1702。也就是说，在IVC≈BDC的条件满足的同时，发生气门升程的下降。相反，在采用彼此组合的VEL和VTC机构的VVC系统的情况下，可以使进气门开启正时IVO相位提前，同时满足由IVC≈BDC确定的条件(见由图17的虚线指示的特性曲线1703)。通过由VEL机构执行的工作角和升程特性控制与由VTC机构执行的相位控制的组合，可以对于相同的进气门关闭正时IVC实现或达到任意的进气门开启正时IVO。另外在采用彼此组合的VEL和VTC机构的VVC系统的情况下，可以显著地改变进气门关闭正时IVC，同时使进气门开启正时IVO保持在基本上对应于活塞的TDC位置的正时值。在压燃发动机中，几何的压缩比ε设定成相对较高的压缩比，并且从而在发动机气门与活塞之间发生不期望的干涉有上升的趋势。假设进气门开启正时IVO固定在基本上对应于TDC的正时值，那么可以避免在发动机气门与活塞之间的不期望的干涉问题。在所示实施例中，可以通过来自于凸轮轴传感器16的VTC相位信息或来自于位置传感器215的VEL工作角信息容易地实时地检测或估计进气门关闭正时IVC，所述凸轮轴传感器用作为进气门凸轮轴的相位角传感器，所述位置传感器用作为用于控制轴206的相位角传感器。
在所示实施例中，作为结合于VVC系统中的可变气门致动机构，举例说明VTC机构(见图5)和VEL机构(见图16)。取而代之，能够改变气门升程和气门正时的可变气门升程(VVL)机构也可以使用。作为选择，可变气门致动机构可以构造为如日本专利临时公布No.8-260923(对应于美国专利No.5,636,603)所公开的可变工作角机构，其中气门升程是恒定的，而工作角是可变的。
作为压燃发动机例如柴油机的燃料可以使用二甲醚以及轻质柴油。作为预混合的压燃发动机的燃料可以使用汽油。
可见，既使在前面说明的发明构思应用于火花点火的内燃机或汽油机的情况下，其中燃料与空气预混合并且预混合的空气燃料混合物被压缩以及预混合的且压缩的空气燃料混合物随后借助于火花塞被点燃，也可以获得前面提到的相同效果，例如在进气门关闭正时IVC与第一分喷射正时IT1之间的良好匹配(避免向进气系统的不期望的燃料泄漏)和/或在排气门开启正时EVO与第二分喷射正时IT2之间的良好匹配(避免向排气系统的不期望的燃料泄漏)。也就是说，根据本发明的构思，可以在任何多级燃料喷射内燃机中提供前面提到的相同效果(在正时IVC与IT1之间的良好匹配和/或在正时EVO与IT2之间的良好匹配)，在所述多级燃料喷射内燃机中通过压缩进入的空气使燃料自燃，或者通过火花塞点燃燃料，或者通过自燃与火花点燃相结合的方式点燃燃料。
如上述可见，根据该实施例的采用多级燃料喷射系统和可变气门致动控制系统的多级燃料喷射内燃机，可以有效地抑制或防止：(i)由于进气门关闭正时IVC与第一分喷射正时IT1之间的失配引起的在第一分喷射期间喷射的燃料部分向进气系统的不期望的泄漏(即第一分喷射正时IT1的效果的损失)和/或(ii)由于排气门开启正时EVO与第二分喷射正时IT2之间的失配引起的在第二分喷射期间喷射的燃料部分向排气系统的不期望的泄漏(即第二分喷射正时IT2的效果的损失)，因此避免在宽工作范围内发动机动力输出的恶化或者排气排放物控制性能的恶化。换言之，在多级燃料喷射内燃机中，通过进气门关闭正时IVC与第一分喷射正时IT1之间的相位匹配的优化和/或通过排气门开启正时EVO与第二分喷射正时IT2之间的相位匹配的优化，可以提高各种发动机性能，例如发动机动力输出、排放物控制性能、燃料经济性、催化剂升温性能、热效率和燃烧稳定性等。
日本专利申请No.2005-286668(2005年9月30日申请)的全部内容通过引用结合于此。
上述内容是说明执行本发明的优选实施例，然而不言而喻的是，本发明不限制于在此所示和所描述的具体实施例，而是可以进行各种改变或修改，而不脱离在权利要求书中确定的本发明的范围或精神。

Claims (20)

1.多级燃料喷射内燃机，包括：
燃料喷射系统，它能够在发动机的一个工作循环中的多个喷射正时喷射燃料，所述喷射正时除了主喷射正时(ITO)之外还包括至少一个分喷射正时(IT1、IT2)；
可变气门致动控制系统，它能够通过改变进气门和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时来改变进气门关闭正时(IVC)或排气门开启正时(EVO)；和
控制单元，它构造成将特定的发动机工作区域的至少两个范围确定为第一工作范围(A)和第二工作范围(B)，并且在第一工作范围(A)内将其中一个喷射正时(IT1、IT2)设定成与进气门关闭正时(IVC)和排气门开启正时(EVO)中的任一个具有预定的第一关系，而在第二工作范围(B)内将其中一个喷射正时设定成与进气门关闭正时(IVC)和排气门开启正时(EVO)中的任一个具有预定的第二关系。
2.按权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，还包括
传感器，它设置成检测进气和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时；所述控制单元对该传感器的传感器信号做出响应，用于对进气门关闭正时(IVC)和排气门开启正时(EVO)中的任一个做出响应来执行其中一个喷射正时(IT1、IT2)的协同控制。
3.按权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，还包括：
第一传感器，它设置成检测发动机的工作条件(V、L)；和
第二传感器，它设置成检测进气门和排气门中的至少之一的气门升程特性或气门开启和气门关闭正时；
其中，所述控制单元构造成：当由第二传感器检测的进气门关闭(IVC)正时与在由第一传感器检测的发动机工作条件基础上确定的期望的进气门关闭正时值之间的差变得大于或等于预定的界限值时，或者当由第二传感器检测的排气门开启正时(EVO)与在由第一传感器检测的发动机工作条件的基础上确定的期望的排气门开启正时值之间的差变得大于或等于预定的界限值时，对进气门关闭正时(IVC)和排气门开启正时(EVO)中的任一个作出响应，起动分喷射正时的协同控制。
4.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在基本上相应于怠速的非常轻的负荷和低速范围时，对可变气门致动控制系统的进气门关闭正时的相位提前做出响应，在主喷射之前喷射的分喷射正时是相位滞后的。
5.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在轻负荷的范围时，对可变气门致动控制系统的进气门关闭正时的相位滞后做出响应，在主喷射之前喷射的分喷射正时是相位滞后的。
6.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在高负荷和低速范围时，对可变气门致动控制系统的进气门关闭正时的相位提前做出响应，在主喷射之前喷射的分喷射正时是相位提前的。
7.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在高负荷和高速范围时，对可变气门致动控制系统的进气门关闭正时的相位滞后做出响应，在主喷射之前喷射的分喷射正时是相位提前的。
8.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在高速范围时，对可变气门致动控制系统的排气门开启正时的相位提前做出响应，在主喷射之后喷射的分喷射正时是相位提前的。
9.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在低速范围时，对可变气门致动控制系统的排气门开启正时的相位滞后做出响应，在主喷射之后喷射的分喷射正时是相位滞后的。
10.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在催化剂温度过高的条件下，对可变气门致动控制系统的排气门开启正时的相位滞后做出响应，在主喷射之后喷射的分喷射正时是相位提前的。
11.如权利要求1所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在冷发动机工作期间，对可变气门致动控制系统的排气门开启正时的相位提前做出响应，在主喷射之后喷射的分喷射正时是相位滞后的。
12.多级燃料喷射内燃机，包括：
燃料喷射系统，它至少允许在主喷射之前喷射的分喷射和在主喷射之后喷射的分喷射；
第一可变气门致动机构，它能够至少改变进气门关闭正时；
第二可变气门致动机构，它能够至少改变排气门开启正时；和
对发动机的工作条件做出响应的控制单元，用于对进气门关闭正时做出响应来执行在主喷射之前喷射的第一分喷射的正时的协同控制，以及用于对排气门开启正时做出响应来执行在主喷射之后喷射的第二分喷射的正时的协同控制。
13.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在基本上相应于怠速的非常轻的负荷和低速范围时，对第一可变气门致动机构的进气门关闭正时的相位提前做出响应，在主喷射之前喷射的第一分喷射的正时是相位滞后的。
14.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在轻负荷范围时，对第一可变气门致动机构的进气门关闭正时的相位滞后做出响应，在主喷射之前喷射的第一分喷射的正时是相位滞后的。
15.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在高负荷和低速范围时，对第一可变气门致动机构的进气门关闭正时的相位提前做出响应，在主喷射之前喷射的第一分喷射的正时是相位提前的。
16.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在高负荷和高速范围时，对第一可变气门致动机构的进气门关闭正时的相位滞后做出响应，在主喷射之前喷射的第一分喷射的正时是相位提前的。
17.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在高速范围时，对第二可变气门致动机构的排气门开启正时的相位提前做出响应，在主喷射之后喷射的第二分喷射的正时是相位提前的。
18.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在低速范围时，对第二可变气门致动机构的排气门开启正时的相位滞后做出响应，在主喷射之后喷射的第二分喷射的正时是相位滞后的。
19.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在催化剂温度过高的条件下，对第二可变气门致动机构的排气门开启正时的相位滞后做出响应，在主喷射之后喷射的第二分喷射的正时是相位提前的。
20.如权利要求12所述的多级燃料喷射内燃机，其特征在于：在冷发动机工作期间，对第二可变气门致动机构的排气门开启正时的相位提前做出响应，在主喷射之后喷射的第二分喷射的正时是相位滞后的。
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