CN101111668A - 柴油机的排气阀控制方法及排气阀控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柴油机的排气阀控制方法及排气阀控制装置。根据运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式的柴油机排气阀的控制方法，在通常燃烧模式下只在排气行程中打开排气阀(9)，在预混合燃烧模式下进行不仅在排气行程中而且在进气行程的后半期到压缩行程初期也打开上述排气阀(9)的二级开阀控制。

Description

柴油机的排气阀控制方法及排气阀控制装置
技术领域
本发明涉及根据发动机的运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式的柴油机的排气阀控制方法及排气阀控制装置，尤其涉及通过在预混合燃烧模式时进行排气阀的2级开阀控制进行内部EGR的技术。
背景技术
下面用图9说明根据内燃机(发动机)的运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式的柴油机(参照专利文献1)。
通常燃烧模式为与通常的发动机一样在活塞1的压缩上死点附近的定时从燃料喷射喷嘴2向活塞顶面的腔室3内喷射燃料的模式。在图示例中，在BTDC10°～0°的任何一个定时开始喷射燃料。该通常燃烧模式采用燃料喷射初期喷射的燃料经过点火延迟期间后点火，继续往由此形成的火焰中喷射燃料，通过这样使燃料燃烧这一扩散燃烧形态。这种扩散燃烧由于往火焰中喷射新的燃料使其燃烧，因此必须在原本氧气少的地方提供燃料使其燃烧，因此容易产生烟雾。因此，根据发动机的运转状态并用以下叙述的预混合燃烧模式。
预混合燃烧模式为在比通常燃烧模式早的定时、并且在喷射结束之前燃料未点火的定时从燃料喷射喷嘴2往腔室3内喷射燃料的模式。在图示例中在BTDC50°～20°的某一定时开始喷射燃料。该预混合燃烧模式由于喷射的所有燃料与空气混合，燃烧室内稀释成大致均匀后燃烧，因此在燃料周围存在足够氧气的状态下燃烧，所以能够抑制烟雾的产生，并且由于燃烧速度比较缓慢、燃烧温度不会急剧上升，因此能够抑制NOX的产生。
专利文献1：日本特开2003-83119号公报
但是，在发动机高负荷运转时，难以进行预混合燃烧模式。原因是由于高负荷时喷射大量的燃料，如果比平时提前从燃料喷射喷嘴2喷射燃料，则在活塞1到达上死点附近之前就开始了点火，很可能引起急剧爆震或者损伤发动机。因此，在发动机高负荷运转时采用通常燃烧模式，在中低负荷运转时切换到预混合燃烧模式。
本发明者对预混合燃烧模式时产生爆震的情况进行了反复研究，结果发现了以下事实。即，通过本发明者的实验、模拟判明：在活塞1的压缩上死点附近，挤气间隙的周围——即活塞1的顶部的腔室3的外周部4的温度比其他部位高几十k左右。并且发现，上述爆震是由该活塞外周部4的温度上升区域点火引发的。因此，如果抑制该外周部4的燃烧反应的话，则有可能抑制预混合燃烧模式中成为问题的爆震，能够将预混合燃烧模式的运转区域扩大到高负荷。
作为抑制燃烧反应的技术我们知道EGR(废气再循环)，但由于通常的EGR通过EGR管连通排气管和进气管，通过该EGR管进行EGR，因此EGR气体(废气)在与进气(空气)混合的状态下被导入了汽缸内，不能只将EGR气体导入汽缸内。因此由EGR气体与空气的混合气体抑制爆震，为了防止爆震需要一定程度以上的EGR气体量(EGR率)。因此吸入汽缸内的进气量相应减少，招致输出功率降低或烟雾的产生，所以限制了将预混合燃烧模式扩展到高负荷区域。
并且，作为其他的EGR方法，还知道不仅在排气行程中打开排气阀，从进气行程的初期到中期再次打开排气阀，通过这样将排气口中的废气的一部分导入汽缸内的EGR(内部EGR)。但是，由于该内部EGR也从进气行程的初期到中期将排气阀打开，因此导入汽缸内的EGR气体在进气行程中在汽缸内流动，尤其是受翻转流的影响严重，在汽缸内与进气混合了，所以由EGR气体和空气的混合气体抑制爆震。因此，存在与上一段叙述过的相同的问题。
发明内容
鉴于上述问题而发明的本发明的目的就是要提供一种柴油机的排气阀控制方法和排气阀控制装置，在预混合燃烧模式时不会让EGR气体与进气混合，并且不会扩散到汽缸内，能够呈层状配置在汽缸内的上部，能够用比以往少的EGR气体量(EGR率)有效地抑制爆震。
为了达到上述目的而发明的本发明的第一方案为一种柴油机排气阀的控制方法，根据运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式，其中，在通常燃烧模式下只在排气行程中打开排气阀；在预混合燃烧模式下进行不仅在排气行程中、而且从进气行程的后半期到压缩行程初期也打开上述排气阀的二级开阀控制。
第二方案为一种柴油机的排气阀控制装置，根据运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式，其中，具有：能够改变排气阀的开闭时期和期间的排气阀驱动装置、和控制该排气阀驱动装置的控制部；该控制部，在上述通常燃烧模式时只在排气行程中打开上述排气阀地控制上述排气阀驱动装置；在上述预混合燃烧模式时进行不仅在排气行程中、而且从进气行程的后半期到压缩行程的初期也打开上述排气阀的二级开阀控制地控制上述排气阀驱动装置。
发明的效果：
根据本发明，预混合燃烧模式时通过在从进气行程的后半期到压缩行程的初期打开排气阀，排气口内的废气的一部分缓慢地进入汽缸内，几乎不与进气混合并且不扩散地以层状化的状态配置在汽缸的上部，因此能够以少的EGR气体量(EGR率)有效地防止爆震。因此，能够比现有技术增加向汽缸内的进气量，能够避免输出功率降低或烟雾的产生，能够将预混合燃烧模式扩展到比现有技术高的高负荷运转区域。
附图说明
图1是表示本发明的优选实施形态的柴油机的排气阀控制方法的阀升力曲线图。
图2是表示本发明的优选实施形态的柴油机的排气阀控制装置的整体的系统图。
图3是表示上述方法和装置中确定排气阀第二级的开阀时期和闭阀时期的流程的说明图。
图4是表示汽缸压力、进气口压力与排气口压力之间的关系的说明图。
图5是表示排气流量与进气流量的关系的说明图。
图6是表示作为排气阀驱动装置的无凸轮阀机构的侧剖视图。
图7是表示作为排气阀驱动装置的排气二级凸轮切换装置的立体图。
图8是上述排气二级凸轮切换装置的侧剖视图。
图9是表示预混合燃烧模式下的燃料喷射的发动机的侧剖视图。
符号的说明
5切换单元
6柴油机
7排气阀驱动装置
7a无凸轮阀驱动装置
7b排气二级凸轮切换装置
8控制部
9排气阀
10进气管
11 MAF传感器
12进气管内压传感器
13爆震传感器
14曲柄角传感器
16排气管内压传感器
17喷射量检测单元
18汽缸内压检测单元
19施力单元
20压力室
21供给单元
22排出单元
61第一排气凸轮
62第二排气凸轮
63第一凸轮凸起
64第二凸轮凸起
69解除机构
具体实施方式
下面根据附图说明本发明的优选实施形态。
如果说明本实施形态的排气阀控制方法和排气阀控制装置的概要，如图2所示，本方法和装置为适用于具备在发动机6高负荷运转时将从燃料喷射喷嘴2喷射的燃料的喷射时期和期间切换为通常燃烧模式(已经叙述)、在中低负荷运转时切换为预混合燃烧模式(已经叙述)的切换单元5的柴油机6的方法和装置；具备可以改变排气阀的开闭时期和期间的排气阀驱动装置7和控制排气阀驱动装置7的控制部8。
在高负荷运转时，切换单元5将从燃料喷射喷嘴2喷射的燃料的喷射时期和期间切换为通常燃烧模式，此时控制部8控制排气阀驱动装置7以使排气阀在排气行程中像通常那样关闭，不进行内部EGR(已经叙述)。而在中低负荷运转时，切换单元5将从燃料喷射喷嘴2喷射的燃料的喷射时期和期间切换为预混合燃烧模式，此时控制部8如图1所示控制排气阀驱动装置7以使排气阀进行二级开阀控制，不仅在排气行程打开，而且在从进气行程的后半期到压缩行程的初期也打开，进行内部EGR。
如果在从进气行程的后半期到压缩行程的初期打开排气阀，则如图4所示由于排气口内的压力比汽缸内的压力稍高的期间排气阀打开，因此排气口内的废气的一部分缓慢地进入汽缸内，而且如图5所示在此期间从进气口往汽缸内进气大体结束，因此进入汽缸内的EGR气体不会与进气(空气)激烈混合，并且也不会扩散到汽缸内，以层叠的状态配置在汽缸内的上部。
如果几乎没混合空气的EGR气体呈层状配置在汽缸内的上部，则在活塞1的压缩上死点附近温度上升产生的成为爆震诱因的活塞1顶部的腔室3的外周部4的燃烧反应能够用比现有技术例少的EGR气体量(EGR率)有效地抑制。因此，用于防止爆震所必需的EGR气体量(EGR率)比现有技术例少就可以了，吸入汽缸内的进气量相应地比现有技术例增加，抑制了EGR时输出功率降低或烟雾的产生，因此能够将预混合燃烧模式的运转区域扩展到高负荷侧。
下面详细叙述本实施形态的排气阀控制方法和排气阀控制装置。
在本实施形态中，图2所示的排气阀驱动装置7使用没有机械凸轮的图6所示的无凸轮阀驱动装置7a。有关该装置7a将在后面详细叙述，排气阀9的开闭时期和期间能够根据来自控制部8的指令任意改变。
如图2所示，发动机6的进气管10中设置有测量进气量的MAF(空气流量)传感器11、和测量进气管10内的压力的进气管内压传感器12，在发动机6的汽缸体等上设置有根据震动的大小等测量爆震的强度的爆震传感器(加速度传感器等)13，在发动机6的内部设置有检测曲柄轴角度的曲柄角传感器14，在发动机6的排气管15中设置有测量排气管15内压的排气管内压传感器16。
并且设置有根据目标喷射量等求取从燃料喷射喷嘴2喷射的燃料喷射量的燃料喷射量检测单元17，设置有求取发动机6的汽缸内压的汽缸内压检测单元18。汽缸内压检测单元18具有上述曲柄角传感器14和上述气管内压传感器12，至少根据进气管内压传感器12测量的进气管10的内压来计算出各曲柄角上汽缸内压。计算用根据实验或模拟获得的映象(map)或近似式等进行。并且，汽缸内压检测单元18除了将上述进气管10的内压、还可以以负载(加速踏板开度)或发动机转速等作为用于计算汽缸内压的参数。
切换单元5为在高负荷运转时将从燃料喷射喷嘴2喷射的燃料的喷射时期和期间切换为通常燃烧模式，在中低负荷运转时切换成预混合燃烧模式的装置，其中是高负荷还是中低负荷的判断这样进行：当由MAF传感器11测量到的进气量和由燃料喷射量检测单元17求得的燃料喷射量计算出的过量空气系数(过量空气系数λ＝(供给A/F值)/(理论A/F值))在预定值(例如2.5)以上时，判定为中低负荷；当上述过量空气系数不到上述预定值时，判定为高负荷。即，当过量空气系数在上述预定值以上时，由于为中低负荷，因此采用预混合燃烧模式，当过量空气系数不到上述预定值时，由于为高负荷，因此采用通常燃烧模式。
在通常燃烧模式时，控制部8控制排气阀驱动装置7以便在排气行程中像通常那样将排气阀9打开；在预混合燃烧模式时，控制排气阀驱动装置7以便进行二级开阀控制，不仅在排气行程将排气阀9打开，而且在图1所示的从进气行程的后半期到压缩行程的初期也打开排气阀9。在通常燃烧模式时排气阀9的开闭时期和期间与普通发动机一样，因此省略其说明，下面用图3说明预混合燃烧模式时排气阀9的上述二级开阀控制。
首先用曲柄角传感器14求出燃料喷射时的曲柄角度，通过燃料喷射量检测单元17求出燃料喷射量，根据这些值判断当前的燃料喷射时期和喷射量是否为预混合燃烧模式。或者，也可以通过MAF传感器11和喷射量检测单元1 7求得的过量空气系数是否在上述预定值以上判断是否为预混合燃烧模式。
或者，也可以从曲柄角传感器14求出每单位时间内曲柄轴的旋转角度即发动机的转速，通过喷射量检测单元17求出燃料喷射量，根据这些值判断是否为预混合燃烧模式。例如，当发动机转速未达到预定的速度，并且燃料喷射量未达到预定量时，判定为预混合燃烧模式，如果不是则判定为通常燃烧模式。
当判定为预混合燃烧模式时，像图1所示那样二级开阀控制排气阀9，排气阀9的第一级开闭的时期和期间与通常燃烧模式时一样(与普通发动机一样)，控制到排气行程中的排气为预先设定的最合适的开闭时期和期间。作为本实施形态的特征的排气阀9的第二级开闭的时期和期间如下所述地决定。
由于排气阀9的再次开阀时期(EVO)影响新的进气量，因此根据由MAF传感器11测量出的进气量和由燃料喷射量检测单元17求出的燃料喷射量计算出的A/F值(空燃比值)和由爆震传感器13测量出的爆震强度决定。具体为，根据A/F值在预定值以上并且爆震强度在另外的预定值以下这一条件决定。
例如，如果排气阀9打开的时期比合适的时期提前过多，由于被从排气口导入汽缸内的EGR气体量(EGR率)增加，相应地减少了进气量，因此A/F值变小。此时，向推迟开阀时刻、减少EGR气体量的方向控制，由此，在预混合燃烧模式时能够将A/F值保证在预定值以上，能够确保预定的新的进气量，所以避免了输出功率降低或烟雾的产生。
反之，如果排气阀9开阀的时期过于滞后，由于EGR气体量减少，因此不能够充分抑制活塞1顶部的腔室3的外周部4成为爆震诱因的燃烧反应，爆震增强，所以向提前开阀时期、增加EGR气体量的方向控制。由此，能够确保预混合燃烧模式中能够防止爆震的EGR气体量，能够防止爆震。
为了防止汽缸内的气体流出到排气口中，排气阀9的关闭时期(EVC)通过比较由排气管内压传感器16测量到的排气管15的内压和由汽缸内压检测单元18求出的汽缸内压来决定合适的EVC时刻。具体为，根据由排气管内压传感器16测量到的排气管15的内压在汽缸内压检测单元18求出的汽缸内压力以上这一条件来决定。
这一点如图4所示，根据运转条件的不同，压缩行程初期的排气口内压力会产生一些差异，但基本上在达到预定的曲柄角度之前比汽缸内的压力高。由此，通过在排气口内压力比汽缸内压力高的期间打开排气阀9，在这些压力关系颠倒过来时关闭排气阀9，能够防止导入汽缸内的EGR气体流出到排气口中。
控制部8根据这样决定的排气阀的打开时期(EVO)和关闭时期(EVC)控制排气阀驱动装置7(无凸轮阀驱动装置7a)。既可以每次开闭排气阀9都决定排气阀9的打开时期(EVO)和关闭时期(EVC)，也可以通过每进行预定的开闭次数来决定以简化控制。
通过进行上述排气阀9的打开时期(EVO)和关闭时期(EVC)的控制，如已经叙述过的那样，在预混合燃烧模式中能够用比现有技术例少的EGR气体量(EGR率)避免输出功率的降低，并且能够有效地防止爆震。因此，能够将预混合燃烧模式扩展到高负荷运转区域。
下面用图6说明无凸轮阀驱动装置7a。
无凸轮阀驱动装置7a具备：向闭阀方向对排气阀9施力的施力单元19、为了克服施力单元19的作用力打开排气阀9而提供加压的动作流体的压力室20、往压力室20内提供上述动作流体的供给单元21、用于从压力室20内排出上述动作流体的排出单元22。于是，控制部8控制由供给单元21往压力室20内提供上述动作流体的供给时期，通过这样控制由排气阀9的打开时刻(EVO)，控制部8控制由排出单元22从压力室20中排出上述动作流体的排出时期，通过这样控制排气阀9的关闭时期(EVC)。
上述施力单元19具有：在被压缩的状态下收容在阀簧室23内，向上方对设置在排气阀9的阀杆部9a上的凸缘9b施力，通过这样向闭阀的方向对排气阀9施力的阀簧19a；以及收容在阀簧室23上方的驱动器主体24内，磁性吸引上述凸缘9b，通过这样向闭阀方向对排气阀9施力的磁铁19b(永久磁铁、电磁铁等)。
上述压力室20形成在为了将排气阀9的阀杆部9a能够滑动地收容到驱动器主体24内而形成的圆孔的上部，其底面部分由上述阀杆部9a的顶面9c区分。因此，当由供给单元21往压力室20内提供上述动作流体，压力室20内的压力作用于顶面9c上产生的打开排气阀9的力大于由阀簧19a和磁铁19b产生的向闭阀方向的施力时，排气阀9打开。
上述供给单元21具有在排气阀9打开初期的预定时间内往压力室20内提供高压动作流体的高压动作流体供给单元21a，以及在经过上述开阀初期的预定期间后往压力室20内提供低压动作流体的低压动作流体供给单元21b。高压动作流体供给单元21a从压力室20的上方向上述阀杆部9a的顶面9c喷射高压动作流体。由此，喷射的高压动作流体冲击上述阀杆部9a的顶面9c，将其推向下方，并且压力室20内的压力急剧上升，因此给排气阀9提供开阀所必需的初始能量，排气阀9顺利地开始打开。
然后，排气阀9依靠惯性运动上升，但此时压力室20的实际容积增大量比由于排气阀9因喷射高压动作流体引起的惯性运动引起的、与高压流体的供给量相对应的压力室20的理论容积增大量大，当压力室20内即将变成负压时，由于在提升途中由低压动作流体供给单元21b将低压动作流体导入压力室20内，因此避免了压力室20变成负压。因此，使排气阀9的提升动作稳定，能够确保提升量为与由提供高压动作流体赋予的初始能量相对应的提升量。
高压动作流体供给单元21a具有：能够升降地收容在通过出口孔25与压力室20的上方连通地形成的平衡阀收容室内的平衡阀26；形成在平衡阀26的上方，当提供了高压动作流体时使其作用于平衡阀26的顶面上，通过这样将平衡阀26压在出口孔25周围的形成为研钵状的阀座27上的闭阀室28；形成在平衡阀26的侧面，当提供了高压动作流体时使其作用于平衡阀26的侧部形成为锥形的台阶部29和锥形底面部上，通过这样将平衡阀26从阀座27上提起的开阀室30；往开阀室30和闭阀室28中提供高压动作流体的高压供给通路31；收容在闭阀室28内，将平衡阀26轻轻地压在阀座27上的弹簧32；以及释放闭阀室28内的压力的溢流单元33。以高压状态(数十～数百MPa)储存在后述的共轨34上的燃料提供给高压供给通路31作为高压动作流体。
如果闭阀室28内的压力没被溢流单元33释放而密封在内的话，由于由闭阀室28内的压力作用于平衡阀26的顶面而产生的关闭平衡阀26的闭阀力与由开阀室30内的压力作用于平衡阀26的台阶部29和底面部而产生的打开平衡阀26的开阀力相等，因此由弹簧32的力使平衡阀26落坐在阀座27上将阀关闭。一旦将阀关闭，由于平衡阀26的底面部落坐在阀座27上将其覆盖，因此动作流体的压力不作用于该底面部，上述开阀力减小、上述闭阀力变大，因此平衡阀26紧紧地落坐在阀座27上将阀关闭。当闭阀室28内的压力被溢流单元33释放时，由于上述闭阀力变得非常小、上述开阀力变大，因此即使考虑弹簧32的力平衡阀26也离开阀座27迅速提升，将阀打开。这样一来，高压动作流体通过出口孔25顺利地喷射到压力室20内。
上述溢流单元33具有：区分闭阀室28上部的盖板35上形成的溢流孔36；为了开闭溢流孔36而配置在盖板35的上面的阀芯37；将阀芯37压在盖板35上，覆盖溢流孔36将阀关闭的弹簧38；磁性吸引阀芯37打开溢流孔36，将阀打开的电磁铁39。在电磁铁39未通电的状态下，阀芯37在弹簧38的力的作用下落坐到盖板35上，堵塞溢流孔36将阀关闭；而当电磁铁39通电时，被吸引向上方移动，因此离开盖板35释放溢流孔36，将阀打开。
电磁铁39根据来自控制部8(电子控制单元)输出的指令适当地接通或断开通电。当电磁铁39通电时，阀芯37被吸引移动，打开阀，平衡阀26被打开，高压动作流体喷射到压力室20内，排气阀9下降，打开阀(提升)。由此能够控制排气阀9的开阀时期(EVO)。当电磁铁39通电断开时，阀芯37在弹簧38的力的作用下关闭阀，平衡阀26打开，不往压力室20内喷射高压动作流体，因此打开(提升)排气阀9的力消失。由此能够控制排气阀9的提升量。
低压动作流体供给单元21b具备：为了往压力室20内提供低压动作流体而与压力室20的侧方上部连通的低压供给流路40；介设在低压供给流路40上的止回阀41。像后述那样以低压状态(例如0.5MPa)储存在低压室42内的燃料提供给低压供给流路40作为低压动作流体。如果采用该结构，由于动作流体从低压室42向压力室20流动，但反方向不流动，因此仅在压力室20内的压力比止回阀41的上游侧低时，低压室42内的低压动作流体通过止回阀41提供给压力室20，在压力室20内的压力比止回阀41的上游侧高时，止回阀41堵塞压力室20。
如果采用上述结构的供给单元21，当高压动作流体供给单元21a的平衡阀26打开，高压动作流体从出口孔25喷射到压力室20内时，如上所述排气阀9顺利地开始打开，排气阀9在惯性运动的作用下提升，因此压力室20的容积增大量比与高压动作流体的供给量相对应的压力室20的理论容积增大量大，当压力室20内即将变成负压时，如果提升途中压力室20内的压力比低压室42内的压力低，则低压动作流体供给单元21b将低压动作流体导入压力室20内，因此避免压力室20变成负压。所以，能够使排气阀9的提升动作稳定，能够确保提升量为与由提供高压动作流体赋予的初始能量相对应的提升量。
这样用高压动作流体供给单元21a控制开阀时期(EVO)、并用低压动作流体供给单元21b确保稳定的提升动作的排气阀9由于通过排出单元22释放压力室20内的压力而闭阀(上升)，因此通过控制上述释放的时期能够控制闭阀时期(EVC)。
排出单元22具备为了排出压力室20内的动作流体而与压力室20的侧方上部连通的排出流路43和介设在排出流路43上的开闭阀44。开闭阀44根据来自控制部8的指令适当开闭。该开闭阀44在闭阀时保持压力室20内的压力，使提升排气阀9的力不消失；在开阀时释放压力室20内的压力，使提升排气阀9的力消失，关闭排气阀9。由此，通过用控制部8像已经用图1和图2说明过的那样控制开闭阀44的开阀时期，能够控制排气阀9的闭阀时期(EVC)。
以上的无凸轮阀驱动装置7a在本实施形态中像图6所示那样组装到柴油机的共轨式燃料喷射系统45的燃料回路(流路)中，使用被高压泵46升压、以高压状态(数十～数百MPa)存储到共轨34内的燃料作为高压动作流体供给单元21a的高压动作流体，使用通过燃料泵47和溢流阀48以低压状态(例如0.5MPa)储存在低压室42内的燃料作为低压动作流体供给单元21b的低压动作流体。
下面说明共轨式燃料喷射系统45。发动机6的每个汽缸中设置有执行燃料喷射的燃料喷射喷嘴2，燃料喷射喷嘴2中一直被提供有以高压状态储存在共轨34中的燃料。共轨34压送上述那样被高压泵46升压到高压状态(数十～数百MPa)的燃料，燃料箱49中的燃料经过燃料过滤器50被燃料泵47压送到高压泵46中。溢流阀48调整燃料泵47的供给压力Pf，将其保持在一定的压力(例如0.5MPa)。
设置控制部8(电子控制单元)作为统一控制图示的整个装置的装置，控制部8上连接有检测发动机6的运转状态(发动机6的曲柄角、转速、发动机负荷等)的各种传感器(参照图2)。控制部8根据这些传感器的信号掌握发动机6的运转状态，将基于运转状态的驱动信号发送给燃料喷射喷嘴2的电磁铁，控制电磁铁的通电继而控制燃料喷射喷嘴2的开闭，控制燃料喷射的执行、停止。当燃料喷射停止时，常压程度的燃料通过返回流路51从燃料喷射喷嘴2返回燃料箱49。控制部8根据发动机6的运转状态反馈控制共轨34内的压力到目标压力。因此，共轨34的内部设置有检测压力的传感器52。
下面说明无凸轮阀驱动装置7a组装到共轨式燃料喷射系统45上的位置。无凸轮阀驱动装置7a的低压室42通过管路与燃料泵47和高压泵46之间的流路连通。由此，相当于供给压力Pf(例如0.5MPa)的低压燃料储存在低压室42中，作为低压动作流体使用。并且，无凸轮阀驱动装置7a的高压供给通路31与共轨34连通，共轨34内的高压(数十～数百MPa)的燃料作为高压动作流体使用。并且，无凸轮阀驱动装置7a的排出流路43的下游一侧通过返回流路53与燃料箱49连通，从排出流路43排出的燃料通过返回流路53返回燃料箱49。
另外，共轨式燃料喷射系统45并非本实施形态的必需构成要件。即，无凸轮阀驱动装置7a的高压动作流体也可以不用共轨34内的高压燃料而使用其他的流体，低压动作流体也可以不用低压室42内的低压燃料而使用其他的流体。
下面用图7和图8说明图2所示的排气阀驱动装置7不使用上述无凸轮阀驱动装置7a而使用排气二级凸轮切换装置7b时的实施形态。
如图所示，排气二级凸轮切换装置7b具备：由发动机6的曲柄轴驱动旋转的排气凸轮轴60；设置在该凸轮轴60上的第一和第二排气凸轮61、62；分别形成在第一和第二排气凸轮61、62上，在排气行程中使排气阀(图中没有表示)打开的相同形状的第一凸轮凸起(力ム山)63；第二排气凸轮62上像图1所示那样在进气行程的后半期到压缩行程的初期使排气阀打开地形成的第二凸轮凸起64；与第一和第二排气凸轮61、62相对应分别能够摆动地穿插到摇臂轴65上的第一和第二摇臂66、67；设置在第一摇臂66上、与第一排气凸轮61相抵接的辊92；以及设置在第二摇臂67上、与第二排气凸轮62相抵接的辊93。
排气二级凸轮切换装置7b还具备：设置在第一摇臂66的端部，克服阀簧的弹力向下压排气阀阀杆部的顶部使之上升(将阀打开)的挤压部68；在将第二摇臂67的摆动传递给第一摇臂66、通过这样使第二凸轮凸起64执行排气阀的开阀的二级开阀模式，与不将第二摇臂67的摆动传递给第一摇臂66、以此解除第二凸轮凸起64进行的排气阀的开阀的空摆模式之间进行切换的解除机构69。
在通常燃烧模式运转时，控制部8使解除机构69处于空摆模式，终止第二凸轮凸起64进行的排气阀的开阀；在预混合燃烧模式运转时，使解除机构69处于二级开阀模式，执行第二凸轮凸起64进行的排气阀的开阀(参照图1)。即，在通常燃烧模式运转时，通过使解除机构69处于空摆模式，使第二摇臂67的摆动处于空摆状态不传递给第一摇臂66，因此排气阀由第一摇臂66控制开闭，像通常那样在排气行程中开闭。而在预混合燃烧模式运转时，通过使解除机构69处于二级开阀模式，第二摇臂67的摆动传递给第一摇臂66，因此排气阀由第一和第二摇臂66、67控制开闭，除了像通常那样在排气行程中进行开阀外，在进气行程的后半期到压缩行程的初期也打开。
在预混合燃烧模式时，如果在进气行程的后半期到压缩行程的初期打开排气阀，则像上述实施形态中详细叙述过的那样，排气口内的废气(EGR气体)缓慢地进入汽缸内，在汽缸内几乎不与进气(新鲜空气)混合，并且也不会扩散到汽缸内，呈层状配置在汽缸内的上部。因此，能够以比现有技术例少的EGR气体量(EGR率)有效地防止爆震，为了防止爆震所需要的EGR气体量(EGR率)比现有技术例少也可以，相应地比现有技术例增加了进入汽缸内的进气量，能够抑制EGR时输出降低或产生烟雾，因此能够将预混合燃烧模式的运转区域扩展到高负荷一侧。
如图7和图8所示，通过通常燃烧模式和预混合燃烧模式而在是否将第二摇臂67的摆动传递给第一摇臂66之间进行切换——即在第二凸轮凸起64是否打开排气阀之间进行切换的解除机构69具备：从右向左近似水平方向地形成在第二摇臂67的摇臂主体70的内部的缸71、能够从右边开始滑动地安装在缸71内的柱塞主体72，从左向右与缸71同心地形成在柱塞主体72上的柱塞孔73，以及能够从左边开始滑动地收容在柱塞孔73内的柱塞74。在柱塞主体72与摇臂主体70之间设置有对柱塞主体72向右施力将其压在第一摇臂66的垫片75上的弹簧76。
柱塞74上形成有将其左右连通的通道77，设置在活塞78上的针状体79穿插到通道77内。活塞78被弹簧80轻轻地向右方施力，收容弹簧80的弹簧室81通过摇臂主体70上形成的空气通道82与大气相连。并且，闭塞通道77端部的球形继流阀83配置在针状体79的右端，通过挡板84被弹簧85推压向左方。继流阀83右边的密闭空间为闭锁用油室86，继流阀83左边的密闭空间为动作油室87。动作油室87通过由滑阀构成的切换阀88与摇臂主体70上形成的动作油供给通道89连通，动作油供给通道89与摇臂轴65内部形成的油路90连通。并且，切换阀88横切空气通道82地配置。
当第二摇臂67的摆动传递给第一摇臂66时即由第二凸轮凸起64打开排气阀时，上述结构的解除机构69通过控制部8控制油压油量控制阀91从而给油路90提供动作油，提高油路90和动作油供给通道89的油压。油箱92的动作油(润滑油)被泵93吸起，通过油道94提供给控制阀91。当油路90中提供了高油压时，该高油压的力使切换阀88克服弹簧95的弹力向左后退，动作油供给通道89与动作油室87连通。
这样一来，高压动作油流入动作油室87，活塞78克服弹簧80的弹力向与垫片75相反的方向移动，柱塞主体72移动到垫片75一侧。此时，由于闭锁用油室86处于密闭状态，因此继流阀83被吸引、打开，动作油室87的动作油流入闭锁用油室86中，由动作油的压力将柱塞主体72压在垫片75上。其中，当柱塞主体72被垫片75以比动作油压力产生的力大的力推压时，闭锁用油室86的油压上升，继流阀83被推进、关闭，因此闭锁用油室86被密闭，锁住柱塞主体72的动作。
这样一来，由于柱塞主体72在被推出的状态下闭锁，与垫片75相抵接，因此第二摇臂67的摆动传递给第一摇臂66。因此，排气阀不仅像通常那样在排气行程中被第一凸轮凸起63打开，而且在进气行程的后半期到压缩行程的初期也被第二凸轮凸起64打开。通过在预混合燃烧模式时进行这种排气2级开阀，像已经叙述过的那样能够以比现有技术例少的EGR气体量(EGR率)有效地防止爆震。
另外，当切换阀88向左移动将动作油供给通道89和动作油室87连通时，由于沿圆周方向形成在切换阀88侧部的环形槽通过空气通道82将弹簧室81与大气连通，因此弹簧室81不会变成负压，允许活塞78向右移动。
而当解除机构69使第二摇臂67的摆动不传递给第一摇臂66即解除由第二凸轮凸起64进行的打开排气阀时，使控制阀91节流、降低提供给油路90的动作油的压力。当油路90的油压降低时，活塞78在弹簧80的作用力的作用下向垫片75一侧移动，连接在活塞78上的针状体79推开继流阀83，滞留在闭锁用油室86的动作油返回动作油室87。因此，当解除柱塞主体72的闭锁，柱塞主体72被垫片75推压时，向左后退。
此时，动作油的压力逐渐降低，但在推压切换阀88的力大于弹簧95的作用力期间，由于油路90、动作油供给通道89、动作油室87和闭锁用油室86连通，所有动作油返回油路90。当动作油压力再降低时，由弹簧95的作用力使切换阀88前进，阻断动作油室87与动作油供给通道89，在动作油室87和闭锁用油室86连通的状态下，两室变成密闭状态。结果，柱塞主体72在被拉进的状态下闭锁。并且，在切换阀88侧部形成的环形槽离开空气通道82，将弹簧室81密闭。
这样一来，由于柱塞主体72在被拉进的状态下闭锁，因此即使第二排气凸轮62的第二凸轮凸起64使第二摇臂67摆动，也不能将垫片75压进去，第二摇臂67的摆动不会传递给第一摇臂66。因此，排气阀像通常那样仅在排气行程中被第一凸轮凸起63打开。通过在通常燃烧模式时进行开阀，能够执行通常的运转。
通常燃烧模式与预混合燃烧模式运转的切换由用图2说明过的上述实施形态中叙述过的切换单元5进行，例如，当由MAF传感器11测量到的进气量和由燃料喷射量检测单元17求得的燃料喷射量计算出的过量空气系数超过预定值(例如2.5)时，该切换单元5将从燃料喷射喷嘴2喷射的时期和期间切换为预混合燃烧模式；当上述过量空气系数不到上述预定值时，该切换单元5将从燃料喷射喷嘴2喷射的时期和期间切换为通常燃烧模式。
另外，本发明并不局限于上述各实施形态，只要不超出权利要求范围中记载的发明的范围，包含所有的实施形态。

Claims (10)

1.一种柴油机排气阀的控制方法，根据运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式，其特征在于，
在通常燃烧模式下只在排气行程中打开排气阀；在预混合燃烧模式下进行不仅在排气行程中、而且从进气行程的后半期到压缩行程初期也打开上述排气阀的二级开阀控制。
2.如权利要求1所述的柴油机排气阀的控制方法，具有分别检测A/F值、爆震强度、排气管内压和汽缸内压的检测单元；
上述排气阀的进气行程后半期的开阀时期决定为由上述检测单元检测到的A/F值在预定值以上、并且爆震强度在另外的预定值以下的时期；
上述排气阀的压缩行程的初期的闭阀时期决定为由上述检测单元检测到的排气管内压在汽缸内压以上的时期。
3.如权利要求1或2所述的柴油机排气阀的控制方法，高负荷运转时以通常燃烧模式运转，中低负荷运转时以预混合燃烧模式运转。
4.一种柴油机的排气阀控制装置，根据运转状态切换通常燃烧模式和预混合燃烧模式，其特征在于，
具有：
能够改变排气阀的开闭时期和期间的排气阀驱动装置；和
控制该排气阀驱动装置的控制部，
该控制部，在上述通常燃烧模式时只在排气行程中打开上述排气阀地控制上述排气阀驱动装置；在上述预混合燃烧模式时进行不仅在排气行程中、而且从进气行程的后半期到压缩行程的初期也打开上述排气阀的二级开阀控制地控制上述排气阀驱动装置。
5.如权利要求4所述的柴油机的排气阀控制装置，
上述排气阀驱动装置为没有机械凸轮的无凸轮阀驱动装置；
具有：向闭阀方向对上述排气阀施力的施力单元、提供为了克服该施力单元的作用力打开上述排气阀而加压的动作流体的压力室、往该压力室内提供上述动作流体的供给单元、以及从上述压力室内排出上述动作流体的排出单元；
上述控制部控制由上述供给单元往上述压力室内提供上述动作流体的供给时期，并且控制由上述排出单元从上述压力室排出上述动作流体的排出时期。
6.如权利要求4或5所述的柴油机的排气阀控制装置，
还具有：测量进气量的MAF传感器、测量爆震强度的爆震传感器、求取燃料喷射量的喷射量检测单元、以及测量排气管内压的排气管内压传感器和求取汽缸内压力的汽缸内压检测单元；
上述控制部，
根据由上述MAF传感器测量到的进气量和由上述燃料喷射量检测单元求得的燃料喷射量计算出的A/F值在预定值以上、并且由上述爆震传感器测量到的爆震强度在另外的预定值以下这一条件，来决定上述排气阀的进气行程后半期的开阀时期；
根据由上述排气管内压传感器测量到的排气管内压比由上述汽缸内压检测单元求得的汽缸内压力高这一条件，来决定上述排气阀在压缩行程初期的闭阀时期。
7.如权利要求6所述的柴油机的排气阀控制装置，上述汽缸内压检测单元具有检测曲柄轴角度的曲柄角传感器和测量进气管内压的进气管内压传感器；至少根据由该进气管内压传感器测量到的进气管内压来计算出各曲柄角的汽缸内压。
8.如权利要求6或7所述的柴油机的排气阀控制装置，具有切换单元，该切换单元当根据由上述MAF传感器测量到的进气量和由上述燃料喷射量检测单元求得的燃料喷射量来计算出的过量空气系数在预定值以上时进行预混合燃烧模式的运转，当上述过量空气系数不到上述预防值时切换到通常燃烧模式的运转。
9.如权利要求4所述的柴油机的排气阀控制装置，
上述排气阀驱动装置为排气二级凸轮切换装置；
具有：在由曲柄轴旋转的排气凸轮上、在排气行程中打开上述排气阀地形成的第一凸轮凸起；在上述排气凸轮上、从进气行程的后半期到压缩行程的初期打开上述排气阀地形成的第二凸轮凸起；以及解除由该第二凸轮凸起进行的上述排气阀的开阀的解除机构；
上述控制部在上述通常燃烧模式运转时使上述解除机构动作、中止由上述第二凸轮凸起进行的上述排气阀的开阀，在上述预混合燃烧模式的运转时使上述解除机构停止、执行由上述第二凸轮凸起进行的上述排气阀的开阀。
10.如权利要求9所述的柴油机的排气阀控制装置，
还具备测量进气量的MAF传感器和求取燃料喷射量的喷射量检测单元；
并且具有当根据由上述MAF传感器测量到的进气量和由上述燃料喷射量检测单元求得的燃料喷射量来计算出的过量空气系数在预定值以上时进行预混合燃烧模式的运转，当上述过量空气系数不到上述预定值时切换到通常燃烧模式的运转的切换单元。
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