CN101142387A - 用于内燃机的控制设备 - Google Patents

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Abstract

发动机ECU执行的程序包括以下步骤：在起动发动机(S100中的“是”)和需要快速催化剂预热(在S110中的“是”)的条件下，通过将缸内喷射器的燃料喷射比率设定为等于或者高于进气歧管喷射器的燃料喷射比率并且将点火正时延迟到较大的程度来进行快速催化剂预热的运行的步骤(S120)，和在催化剂被预热到活化的条件下(在S130中的“是”)进行常规运行(S140)。

Description

用于内燃机的控制设备
技术领域
本发明涉及用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括用于将燃料喷射到气缸中的第一燃料喷射机构(缸内喷射器)和用于将燃料喷射到进气歧管或进气口中的第二燃料喷射机构(进气歧管喷射器)。具体地，本发明所涉及的用于内燃机的控制设备在对净化排气用的催化剂进行快速预热的情况下使用。
背景技术
公知的一种内燃机包括用于将燃料喷射到发动机进气歧管中的进气歧管喷射器和用于将燃料喷射到发动机燃烧室中的缸内喷射器，根据发动机转速和发动机负荷确定。
日本专利公开No.11-324765公开了一种用于直喷式火花点火内燃机的控制设备，其在发动机起动之后的较早阶段对净化排气用的催化剂进行活化。该用于直喷式火花点火内燃机的控制设备包括用于将燃料直接喷射供应到发动机燃烧室中的燃料喷射阀、用于在整个燃烧室内形成均匀的空燃混合物的燃料供应装置和用于产生火花以点燃燃烧室内的空燃混合物的火花塞。直喷式火花点火内燃机的控制方式是控制燃料喷射阀在压缩行程中的喷射燃料量和燃料喷射正时，以及火花塞的点火正时，使得当点燃混合物时局部位于火花塞周围的空燃混合物层的空燃比是在预定发动机运行状况下的理论空燃比，因而进行层状燃烧。控制设备还包括升温条件判定装置以及控制装置，升温条件判定装置用于对设置在发动机的排气歧管中的排气净化催化剂的温度应该升高的条件进行判断，控制装置用于在排气净化催化剂的温度应该升高的条件下控制由燃料供应装置喷射的燃料量，以使在整个燃烧室中产生的空燃混合物的空燃比是稀于理论空燃比且火焰能够传播的空燃比，并且控制燃料喷射阀在压缩冲程中的喷射燃料量和燃料喷射正时，以及火花塞点火正时，使得当点燃混合物时局部地位于火花塞周围的空燃混合物的空燃比浓于理论空燃比，由此实现第二层状燃烧。
关于该用于直喷式火花点火内燃机的控制设备，火花塞周围的空燃混合物层的空燃比被设定为浓于理论空燃比，因而在主燃烧过程(火花点火，随后通过火焰传播燃烧)中产生不完全燃烧产物(CO)，并且该CO在主燃烧之后残留在燃烧室中。此外，由于浓的空燃混合物周围产生的空燃混合物稀于理论空燃比，所以在主燃烧之后氧气残留在该区域中。主燃烧之后气缸中气体的流动使得残留的CO和残留的氧气混合而再次燃烧，这使得排气温度升高。由于在主燃烧过程中产生不完全燃烧产物(CO)，所以当主燃烧完成时不完全燃烧产物已经处于高温状态。因而，即使在燃烧室温度较低的条件下，CO也能够在比较良好的状态下燃烧。换言之，几乎所有产生的CO都能够在燃烧室中和催化剂上游的排气歧管中再次燃烧。尽管与本身在主燃烧中产生的CO量较小的均匀燃烧相比，层状燃烧中流入催化剂的CO的量增大，但是催化剂在比HC转换开始温度低的温度的情况下开始CO转换，因而排气排放物受到影响的程度比较低。此外，由于稀的空燃混合物层的空燃比被设定为火焰能够传播的空燃比，所以不会在浓的空燃混合物层和稀的空燃混合物层之间的边界处产生未燃烧的HC。而且，由于火焰在良好的状态下传播到燃烧室的每个角落，所以燃烧室中的低温区域(挤压面积)可以是与均匀燃烧的区域相同的小区域。而且，由于在主燃烧之后在稀的空燃混合物燃烧的区域中留下过量的氧气，所以主燃烧完成时残留氧气的温度相对较高，使得CO很快地再次燃烧。
上述日本专利公开No.11-324765包括的第四实施例示出以下结构。设置用于在整个燃烧室中形成均匀空燃混合物的燃料供应装置，以通过设置在进气歧管中的燃料喷射阀(用于进气口喷射的燃料喷射阀)在排气冲程或者从排气冲程到进气冲程的时段喷射燃料来在整个燃烧室中产生稀于理论空燃比的均匀空燃混合物。用于将燃料喷射到气缸中的燃料喷射阀用来在压缩冲程中将燃料喷射供应到燃烧室中，并且形成具有在火花塞周围浓于理论空燃比(高燃料浓度)的分层形式的空燃混合物，然后使混合物燃烧。对于为了使催化剂活化进行的层状燃烧，以下列方式供应燃料。具体地，在每个燃烧循环中以一定的进气量就能够几乎完全燃烧的总燃料量(实现大致理论空燃比所需的燃料重量)中，该燃料重量的例如约50％至约90％通过用于(在排气冲程或者从排气冲程到进气冲程期间)进气口喷射的燃料喷射阀喷射供应到进气歧管，由此在进气冲程中在整个燃烧室内产生稀于理论空燃比的均匀空燃混合物。此外，约50％至约10％的其余燃料重量在压缩冲程中通过将燃料喷射到气缸中的燃料喷射阀而喷射供应到燃烧室中，并且产生在火花塞周围浓于理论空燃比(高燃料浓度)的分层形式的空燃混合物，然后使混合物燃烧。换言之，当加热催化剂时，对于缸内燃料喷射阀和进气歧管燃料喷射阀之间的燃料喷射比率，至少进气歧管燃料喷射阀的燃料喷射比率更高。
然而，为了实现对排气催化剂的早期预热，前述燃料喷射比率对于具有用于将燃料喷射到气缸中的燃料喷射阀(缸内喷射器)和用于将燃料喷射到进气歧管中的燃料喷射阀(进气歧管喷射器)的内燃机不是最佳的。换言之，对于作为催化剂预热最重要因素的点火正时，以该燃料喷射比率不能够实现充分的延迟。
发明内容
本发明目的是提供一种用于内燃机的控制设备，该内燃机具有用于将燃料喷射到气缸中的第一燃料喷射机构和用于将燃料喷射到进气歧管中的第二燃料喷射机构，该控制设备在内燃机起动时以良好的方式对排气净化催化剂进行快速预热，以使发动机起动时排放物不会劣化。
根据本发明，用于内燃机的控制设备控制内燃机，该内燃机包括将燃料喷射到气缸中的第一燃料喷射机构和将燃料喷射到进气歧管中的第二燃料喷射机构。该内燃机具有排气系统，排气系统设置有催化剂，催化剂用于净化排气，并且在至少预定温度的温度下活化。控制设备包括：检测单元，其检测对催化剂的预热请求；控制单元，其基于所述内燃机的需求条件控制所述第一和第二燃料喷射机构，使得所述第一和第二燃料喷射机构分担燃料喷射；和点火控制单元，其控制点火装置。在所述第一和第二燃料喷射机构分担燃料喷射并且检测到预热请求的情况下，控制单元控制第一和第二燃料喷射机构，使得第一燃料喷射机构的燃料喷射比率至少等于第二燃料喷射机构的燃料喷射比率。当检测到预热请求时，点火控制单元控制点火装置以延迟点火正时。
根据本发明，第一燃料喷射机构(例如，缸内喷射器)的燃料喷射比率被设定为等于或者高于第二燃料喷射机构(例如，进气歧管喷射器)的燃料喷射比率(例如，缸内喷射器进行65％的燃料喷射)，并且缸内喷射器在压缩冲程进行燃料喷射。因而，在燃烧室内，能够形成由进气歧管喷射器产生的均匀空燃混合物(整体为稀空燃比的空燃混合物)以及由缸内喷射器产生的分层空燃混合物(在火花塞周围的空燃混合物的空燃比较浓)。此时，具体地，缸内喷射器的燃料喷射比率等于或者高于进气歧管喷射器的燃料喷射比率，因而火花塞周围的空燃混合物的空燃比能够变得更浓。此外，由于浓混合物周围的空燃混合物是均匀的空燃混合物，所以火焰能够以良好的状态传播。换言之，在喷射的燃料的情况下，即使在火花塞周围具有浓空燃比的空燃混合物层与均匀空燃混合物之间的边界处，不会局部形成由于燃料扩散而使得空燃比变稀的任何区域。由于没有形成这样的区域，所以火焰容易传播，并且不容易产生未燃烧燃料(HC)。在这样的状态下，点火正时可以延迟较大的程度，并且能够容易地升高排气温度。可以认为排气温度的升高是由于以下原因。火花塞周围的空燃混合物的空燃比浓于理论空燃比，使得在主燃烧过程(由火花塞产生的火花点火，随后通过火焰传播进行燃烧)中产生不完全燃烧产物(CO)，并且在主燃烧之后该CO残留在燃烧室中。在处于浓空燃比的空燃混合物周围的具有稀空燃比的均匀空燃混合物中，在主燃烧之后仍残留氧气。所残留的CO和残留的氧气通过气缸中的气体流动而进行混合，因而再次燃烧，使得排气温度升高。在从发动机起动到催化剂活化的期间，由于排气温度升高，能够抑制HC排放到大气中。同时，能够对催化剂进行快速预热以在较早阶段使其活化。以此方式，能够提供一种用于内燃机的控制设备，该内燃机具有用于将燃料喷射到气缸中的第一燃料喷射机构和用于将燃料喷射到进气歧管中的第二燃料喷射机构，该控制设备在内燃机起动时以良好的方式对排气净化催化剂进行快速预热，以使起动时排放物不会劣化。
优选地，控制单元控制第一燃料喷射机构在压缩冲程中喷射燃料。
根据本发明，缸内喷射器在压缩冲程中喷射的燃料能够在火花塞周围形成具有相对浓空燃比(例如，约15.5)的空燃混合物。因而，点火正时能够相当大地延迟，排气温度能够升高以对催化剂进行快速预热，由此在较早阶段使催化剂活化。
还优选地，控制设备还包括输出控制单元，其控制内燃机以防止当根据预热请求控制内燃机时内燃机的输出减小。
根据本发明，尽管根据预热请求延迟点火正时使得内燃机输出减小(转矩降低)，但是通过输出控制单元能够避免该转矩降低。因而，能够避免由于点火正时的延迟引起的转矩降低。
还优选地，输出控制单元通过增大供应到内燃机的喷射燃料量来防止内燃机的输出减小。
根据本发明，通过增大喷射燃料量，能够防止根据预热请求延迟点火正时时发生的内燃机转矩降低。
还优选地，输出控制单元通过增大供应到内燃机的空气量来防止内燃机的输出减小。
根据本发明，通过增大供应空气量，能够防止根据预热请求延迟点火正时时发生的内燃机扭矩降低。
还优选地，控制设备还包括检测内燃机温度的温度检测器。当内燃机的温度低于预定温度时，温度检测器检测到预热请求被给出的情况。
根据本发明，当内燃机的温度(可以从内燃机的冷却剂的温度估计该温度)较低时，能够判定催化剂也较冷，因而没有被活化。因而，能够检测到作出了预热请求。
优选地，第一燃料喷射机构是缸内喷射器，第二燃料喷射机构是进气歧管喷射器。
根据本发明，对于分离地包括作为第一燃料喷射机构的缸内喷射器和作为第二燃料喷射机构的进气歧管喷射器以允许由两个喷射器进行燃料喷射的内燃机，设置控制设备以在内燃机起动时以良好的方式对排气净化催化剂进行快速预热，以使起动时排放物不会劣化。
结合附图，从以下对本发明的详细的描述中，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是由根据本发明施例的控制设备控制的发动机系统的结构示意图。
图2是示出由作为本发明实施例的控制设备的发动机ECU执行的程序的控制结构的流程图。
图3示出了在本发明的实施例中用于快速催化剂预热的条件。
图4表示与本发明实施例的控制设备所适用的发动机(1)的暖态相对应的DI比率映射图。
图5表示与本发明实施例的控制设备所适用的发动机(1)的冷态相对应的DI比率映射图。
图6表示与本发明实施例的控制设备所适用的发动机(2)的暖态相对应的DI比率映射图。
图7表示与本发明实施例的控制设备所适用的发动机(2)的冷态相对应的DI比率映射图。
具体实施方式
以下，参照附图描述本发明的实施例。在以下描述中，类似的部件由类似的参考标号表示，并且这些部件的名称和功能相同。因而，其详细描述将不再重复。
图1是由发动机ECU(电子控制单元)控制的发动机系统的结构示意图，其中发动机ECU可被视为根据本发明一个实施例的用于内燃机的控制设备。尽管在图1中示出直列式四缸汽油发动机作为发动机，但是本发明不限于这样的发动机。
如图1所示，发动机10包括四个气缸112，每个经由相应的进气歧管20连接到公共的稳压罐30。稳压罐30经由进气管40连接到空气滤清器50。气流计42布置在进气管40中，并且由电动机60驱动的节气门70也布置在进气管40中。独立于加速踏板100，基于发动机ECU 300的输出信号控制节气门70的开度。每个气缸112连接到公共的排气歧管80，排气歧管80接着连接到三元催化剂转换器90。
每个气缸112均设置有用于将燃料喷射到气缸中的缸内喷射器110和用于将燃料喷射到进气口或/和进气歧管中的进气歧管喷射器120。基于发动机ECU 300的输出信号控制喷射器110和120。此外，每个缸内喷射器110连接到公共的燃料输送管130。燃料输送管130经由允许朝着燃料输送管130的方向流动的止回阀140连接到发动机驱动式高压燃料泵150。尽管结合本实施例对具有两个分离设置的喷射器的内燃机进行说明，但是本发明不限于这样的内燃机。例如，内燃机可以具有能够进行缸内喷射和进气歧管喷射两者的一个喷射器。
如图1所示，高压燃料泵150的排出侧经由电磁溢流阀152连接到高压燃料泵150的吸入侧。随着电磁溢流阀152的开度变小，从高压燃料泵150供应到燃料输送管130的燃料量增大。当电磁溢流阀152全开时，从高压燃料泵150到燃料输送管130的燃料供应停止。基于发动机ECU 300的输出信号控制电磁溢流阀152。
进气歧管喷射器120连接到低压侧的公共燃料输送管160。燃料输送管160和高压燃料泵150经由公共燃料压力调节器170连接到电动机驱动式低压燃料泵180。低压燃料泵180经由燃料滤清器190连接到燃料箱200。当从低压燃料泵180排出的燃料压力变得高于预设燃料压力时，燃料压力调节器使从低压燃料泵180排出的燃料的一部分回流到燃料箱200。因而，这防止供应到进气歧管喷射器120的燃料压力和供应到高压燃料泵150的燃料压力变得高于预设燃料压力。
发动机ECU 300由数字计算机构成，并且包括经由双向总线310彼此连接的ROM(只读存储器)320、RAM(随机访问存储器)330、CPU(中央处理单元)340、输入端口350和输出端口360。
气流计42产生与进气量成比例的输出电压。气流计42的输出电压经由A/D转换器370施加到输入端口350。冷却剂温度传感器380附装到发动机10，并且产生与发动机冷却剂温度成比例的输出电压。冷却剂温度传感器380的输出电压经由A/D转换器390施加到输入端口350。
燃料压力传感器400附装到燃料输送管130，并且产生与燃料输送管130内的燃料压力成比例的输出电压。燃料压力传感器400的输出电压经由A/D转换器410施加到输入端口350。空燃比传感器420在三元催化转换器90上游附装到排气歧管80，并且产生与排气中的氧浓度成比例的输出电压。空燃比传感器420的输出电压经由A/D转换器430施加到输入端口350。
本实施例的发动机系统中的空燃比传感器420是全范围空燃比传感器(线性空燃比传感器)，其产生与在发动机10中燃烧的空燃混合物的空燃比成比例的输出电压。空燃比传感器420可以是O2传感器，该O2传感器以开/关的方式检测在发动机10中燃烧的空燃混合物的空燃比相对于理论空燃比是浓还是稀。
加速踏板100与加速踏板位置程度传感器440连接，加速踏板位置传感器440产生与加速踏板100的踏板位置成比例的输出电压。加速踏板位置传感器440的输出电压经由A/D转换器450施加到输入端口350。发动机转速传感器460产生表示发动机转速的输出脉冲，并且连接到输入端口350。发动机ECU 300的ROM 320存储对应于运行状态设定的燃料喷射量的值和基于发动机冷却剂温度的校正值等，这些值基于分别由上述加速踏板位置传感器440和发动机转速传感器460获得的发动机负荷率和发动机转速预先制成映射图。
当空燃比接近理论空燃比(A/F(空气重量/燃料重量)＝14.7)时，三元催化转换器90能够氧化排气中的CO和HC并且还原NOx，由此净化排气。该三元催化转换器90的催化剂(例如，铂、铑、钯)在达到一定(高)的温度之前不会活化，因而不会显示净化能力。
本发明的控制设备在具有缸内喷射器110和进气歧管喷射器120的发动机10起动之后，在较早阶段升高三元催化转换器90的温度以使催化剂活化，由此紧接在发动机10起动之后尽可能早地净化排气。通过检测三元催化转换器90的排气下游处的排气中的特定成分(例如，氧)的浓度，能够判定三元催化转换器90是否启动。例如，判定设置在三元催化转换器90下游的氧传感器是否启动。具体地，基于下游氧传感器的检测信号的变化判定三元催化转换器90是否启动。由于设置在三元催化转换器90下游的氧传感器的启动是由启动的三元催化转换器90的出口侧排气的温度升高(氧化反应)引起的，所以可以基于氧传感器启动的事实判定三元催化转换器90启动。
或者，可以检测例如发动机冷却剂的温度或者发动机油的温度来估计三元催化转换器90的温度，并且因而基于估计结果判定三元催化转换器90是否启动。此外，可以直接检测三元催化转换器90的温度(出口温度)来判定三元催化转换器90是否启动。
在本发动机10中，缸内喷射器110和进气歧管喷射器120分担燃料喷射。现在对存储在发动机ECU 300的ROM 320中并且表示缸内喷射器110和进气歧管喷射器120之间的燃料喷射比率(以下还称为直接喷射比率、DI比率、DI比率r(或简称为r))的映射图给出说明。该映射图的横轴表示发动机转速，纵轴表示负荷率，并以百分比表示作为直接喷射比率(DI比率r)的、缸内喷射器110的燃料喷射比率。
对于由发动机转速和负荷率确定的每个运行区域，设定直接喷射比率(DI比率r)。“直接喷射100％”表示仅缸内喷射器110喷射燃料的区域(r＝1.0，r＝100％)。“直接喷射0-20％”表示缸内喷射器110喷射的燃料占总量的0至20％的区域(r＝0-0.2)。例如，“直接喷射40％”表示缸内喷射器110喷射的燃料占总量的40％，而其余的燃料总量的60％由进气歧管喷射器120喷射。将在后文给出该映射图的细节。
参照图2，描述程序的控制结构，该程序由作为本发明实施例的控制设备的发动机ECU 300执行。
在步骤(以下“步骤”简写为“S”)100，发动机ECU 300判定发动机10是否起动。此时，基于从另一个ECU输入到发动机ECU 300的发动机起动请求信号和/或发动机ECU 300自身处理的结果进行该判定。当发动机10起动时(在S100中的“是”)，处理进行到S110。否则(在S100中的“否”)，该处理结束。
在S110中，发动机ECU 300判定是否需要进行快速催化剂预热。此时，如上所述，如果从设置在三元催化转换器90下游的氧传感器的检测信号的变化发现三元催化转换器没有启动，则判定需要进行快速催化剂预热。或者，从发动机冷却剂温度或者发动机油温度，可以判定是否需要进行快速催化剂预热。当需要进行快速催化剂预热(S110中的“是”)时，处理进行到S120。否则(在S110中的“否”)，处理进行到S140。
在S120，发动机ECU 300执行快速催化剂预热运行。此时，例如，如图3所示，发动机ECU 300控制点火正时、缸内喷射器110的喷射正时、喷射燃料量、供应空气量和DI比率r。图3中所示的DI比率的数值是示例性的，并且DI比率可以是至少50％(缸内喷射器110的燃料喷射比率等于或者高于进气歧管喷射器120的燃料喷射比率)。此外，关于燃料量的减小，排气的空燃比可以是例如对应于稀状态的约15.5。通过该减小，未燃烧的HC也减少。尽管紧接在发动机10起动之后进行增大校正(针对发动机10起动时转矩请求的增大校正或者针对燃料粘附到壁表面的增大校正)，但是由于在从发动机起动时起经过一段时间或者由于粘附到壁表面的燃料饱和使得发动机起动时的请求转矩变得不需要，所以减小燃料量。因此，即使在压缩冲程中从缸内喷射器110喷射的燃料量减小，在火花塞周围出现仅点火所需的燃料量，并且保持高的稀燃极限使得不会发生点火失败。(通过该增大校正)供应有助于催化剂预热的请求量的用于后燃烧的燃料(从进气歧管喷射器120供应的燃料)。所供应的用于后燃烧的燃料能够用来对催化剂预热。
在S130，发动机ECU 300判定是否应该结束快速催化剂预热。此时，如上所述，如果从设置在三元催化剂转换器90下游的氧传感器的检测信号的变化发现三元催化剂转换器90启动了，则判定应结束快速催化剂预热。或者，从例如发动机冷却剂温度或者发动机油温度，可以进行对快速催化剂预热是否应该结束的判定。此外，可选地，根据发动机冷却剂的温度相对于发动机起动时的温度是否已经达到预定温度或者更高，可以判定快速催化剂预热是否应该结束。而且，可选地，基于总进气量，可以进行发动机10是否已经运行达预定时间或更长的判断，以判断是否应该结束快速催化剂预热。当判定应结束快速催化剂预热时(S 130中的“是”)，处理进行到S140。否则(S130中的“否”)，处理返回到S120。
在S140，发动机ECU 300执行发动机10的常规运行。此时，由发动机ECU 300将针对快速催化剂预热临时设定的点火正时、缸内喷射器110的喷射正时、喷射燃料量、供应空气量和DI比率r设定回到用于常规运行的值。
现在将基于上述结构和流程图，描述由作为本实施例的控制设备的发动机ECU 300控制的发动机10的运行。在下面，将描述在需要进行快速催化剂预热的情况下发动机10起动时的运行。
在发动机10起动(S100的“是”)和从设置在三元催化转换器90下游的氧传感器的检测信号的变化发现三元催化转换器90没有启动的状况下，判定需要进行快速催化剂预热(S110中的“是”)。在此情况下，发动机ECU 300控制点火正时、缸内喷射器110的喷射正时、喷射燃料量、供应空气量和DI比率r，使得它们具有如图3所示的相应值。
在以上述方式控制的发动机中，缸内喷射器110的燃料喷射比率被设定成等于或者高于进气歧管喷射器120的燃料喷射比率(约为65％)以在压缩冲程中从缸内喷射器110将燃料喷射到气缸中。在进气冲程中，从进气歧管喷射器120将燃料喷射到进气歧管中。此时，在燃烧室内形成由进气歧管喷射器120产生的空燃混合物(整体空燃比为稀且处于均匀状态)以及由缸内喷射器110产生的空燃混合物(在火花塞周围的空燃比较浓且处于层状状态)。即使火花塞的点火正时延迟的程度较大(例如，15°ATDC)，缸内喷射器110的燃料喷射比率等于或者高于进气歧管喷射器120的燃料喷射比率，因此，火花塞周围的空燃混合物的空燃比变浓，并且该火花塞周围的空燃混合物被由进气歧管喷射器120产生的均匀空燃混合物围绕，使得火焰以良好的状态传播。因而，火焰平顺地传播，并且未燃烧燃料(HC)不容易产生。点火正时的较大延迟使排气温度升高。尽管点火正时的较大延迟使发动机的输出(转矩)减小，但是减小燃料量以减少未燃烧HC，或者增大进气量来避免转矩下降。通过升高排气温度，在发动机起动到催化剂活化的时段中对大气的HC排放减少，同时快速地预热催化剂，使得能够快速地活化催化剂。
随着三元催化转换器90的催化剂的温度升高而被活化，设置在三元催化转换器90下游的氧传感器的检测信号改变。基于该改变，判定三元催化转换器90启动(在S130中的“是”)，并且快速催化预热结束。然后，可以使用例如后述的DI比率r，来代替点火正时、缸内喷射器110的喷射正时、喷射燃料量、供应空气量和DI比率以控制发动机10。
如上所述，当具有本实施例的发动机ECU的车辆的发动机起动并且需要对排气净化催化剂进行快速预热时，缸内喷射器的燃料喷射比率被设定成等于或者高于进气歧管喷射器的燃料喷射比率。因而，在燃烧室内，能够形成由进气歧管喷射器产生的空燃混合物(整体空燃比为稀且处于均匀状态)以及由缸内喷射器110产生的空燃混合物(在火花塞周围的空燃比较浓并且处于层状状态)。此时，火花塞周围的空燃比能够更浓。由于火花塞周围的空燃混合物是均匀的(半层状)，有利于火焰传播，并且不容易产生未燃烧燃料(HC)。在这样的状态下，与传统技术相比，点火正时延迟的程度较大，以能够对排气净化催化剂更快速地进行预热。
(本控制设备所适用的发动机(1))
以下将描述本实施例的控制设备所适用的发动机(1)。
参照图4和图5，现在将描述表示缸内喷射器110和进气歧管喷射器120之间的燃料喷射比率(以下，还称为DI比率r或者简称为r)的映射图，该映射图作为与发动机10的运行状态相关的信息。映射图存储在发动机ECU 300的ROM 320中。图4是用于发动机10的暖态的映射图，图5是用于发动机10的冷态的映射图。
在图4和图5的映射图中，缸内喷射器110的燃料喷射比率以百分比表示为DI比率r，其中横轴表示发动机10的发动机转速，纵轴表示负荷率。
如图4和图5所示，针对由发动机10的发动机转速和负荷率所确定的每个运行区域设定DI比率r。“DI比率r＝100％”表示仅缸内喷射器110喷射燃料的区域，“DI比率r＝0％”表示仅进气歧管喷射器120喷射燃料的区域。“DI比率r≠0％”、“DI比率r≠100％”和“0％＜DI比率r＜100％”每个都表示缸内喷射器110和进气歧管喷射器120分担燃料喷射的区域。一般而言，缸内喷射器110有助于增大动力性能，而进气歧管喷射器120有助于空燃混合物的均匀性。根据发动机10的发动机转速和负荷率适当地选择这两种具有不同特性的喷射器，使得在发动机10的常规运行状态下(例如，在怠速期间的催化剂预热状态是非常规运行状态的一个示例)仅进行均匀燃烧。
此外，如图4和图5所示，在用于发动机暖态的映射图和用于发动机冷态的映射图中各个地限定缸内喷射器110和进气歧管喷射器120的DI比率r。映射图被构造成表示缸内喷射器110和进气歧管喷射器120的随着发动机10的温度变化而不同的控制区域。当所检测的发动机10的温度等于或者高于预定的温度阈值时，选择图4所示的用于暖态的映射图；否则，选择图5所示的用于冷态的映射图。根据所选择的映射图，基于发动机10的发动机转速和负荷率控制缸内喷射器110和/或进气歧管喷射器120。
现在将描述在图4和图5中设定的发动机10的发动机转速和负荷率。在图4中，NE(1)被设定为2500rpm至2700rpm，KL(1)被设定为30％至50％，KL(2)被设定为60％至90％。在图5中，NE(3)被设定为2900rpm至3100rpm。即，NE(1)＜NE(3)。还适当地设定图4中的NE(2)以及图5中的KL(3)和KL(4)。
当比较图4和图5时，图5所示的用于冷态的映射图的NE(3)大于图4所示的用于暖态的映射图的NE(1)。这表明当发动机10的温度变低时，进气歧管喷射器120的控制区域扩大到包括更高发动机转速的区域。即，在发动机10是冷态的情况下，沉积物不容易蓄积在缸内喷射器110的喷射孔中(即使燃料不是从缸内喷射器110喷射)。因而，能够扩大使用进气歧管喷射器120进行燃料喷射的区域，由此提高了均匀性。
当比较图4和图5时，“DI比率r＝100％”在用于暖态的映射图中是在发动机10的发动机转速为NE(1)或者更高的区域，在用于冷态的映射图中是在发动机转速为NE(3)或者更高的区域。对于负荷率，“DI 比率r＝100％1”在用于暖态的映射图中是在负荷率为KL(2)或者更大的区域，在用于冷态的映射图中是在负荷率为KL(4)或者更大的区域。这意味着在预定高发动机转速的区域和预定高发动机负荷的区域中仅使用缸内喷射器110。即，在高速区域或者高负荷区域中，即使仅仅由缸内喷射器110进行燃料喷射，也可以使发动机10的发动机转速和负荷较高，进气量足够，使得即使仅使用缸内喷射器110也易于获得均匀的空燃混合物。以此方式，缸内喷射器110喷射的燃料在燃烧室内伴随着汽化潜热(或者吸收来自燃烧室的热量)而被雾化。因而，空燃混合物的温度在压缩末端降低，由此提高了防爆震性能。此外，由于燃烧室内的温度降低，进气效率得到提高，导致了高的动力输出。
在图4的用于暖态的映射图中，当负荷率是KL(1)或者更小时，也仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射。这表明当发动机10的温度是高时，在预定低负荷区域仅使用缸内喷射器110。当发动机10在暖态下时，沉积物可能蓄积在缸内喷射器110的喷射孔中。然而，当使用缸内喷射器110进行燃料喷射时，喷射孔的温度能够降低，由此防止了沉积物的蓄积。此外，在确保其最小燃料喷射量的同时可以防止缸内喷射器110的堵塞。因而，在相关的区域仅使用缸内喷射器110。
当比较图4和图5时，仅在图5的用于冷态的映射图中存在“DI比率r＝0％”的区域。这表明当发动机10的温度较低时，在预定的低负荷区域(KL(3)或者更低)中仅使用进气歧管喷射器120进行燃料喷射。当发动机10较冷且负荷较低，并且进气量较小时，燃料不易于雾化。在这样的区域中，难以在缸内喷射器110喷射燃料的情况下确保良好的燃烧。此外，尤其在低负荷和低速区域中，使用缸内喷射器110的高动力是不必要的。因而，在有关的区域中仅使用进气歧管喷射器120而不使用缸内喷射器110进行燃料喷射。
此外，在常规运行以外的运行中，或者在发动机10的怠速期间催化剂预热状态(非常规状态)中，控制缸内喷射器110以进行层状燃烧。通过仅仅在催化剂预热运行期间进行层状燃烧，促进了催化剂的预热，因而改善了排气排放。
(本实施例的控制设备所适用的发动机(2))
以下，将描述本实施例的控制设备所适用的发动机(2)。在发动机(2)的以下描述中，将不再重复与发动机(1)类似的构造。
参照图6和图7，将描述表示缸内喷射器110和进气歧管喷射器120之间的燃料喷射比率的映射图，该映射图作为与发动机10的运行状态相关的信息。映射图存储在发动机ECU 300的ROM 320中。图6是用于发动机10的暖态的映射图，图7是用于发动机10的冷态的映射图。
图6和图7与图4和图5的不同之处在于以下几点。“DI比率r＝100％”在用于暖态的映射图中保持在发动机转速等于或高于NE(1)的区域中，在用于冷态的映射图中保持在发动机转速为NE(3)或更高的区域中。此外，除了低速区域之外，“DI比率r＝100％”在用于暖态的映射图中保持在负荷率为KL(2)或者更大的区域中，在用于冷态的映射图中保持在负荷率为KL(4)或者更大的区域中。这意味着在发动机转速是预定高水平的区域中仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射，在发动机负荷是预定高水平的区域中通常仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射。然而，在低速高负荷区域中，缸内喷射器110喷射的燃料所形成的空燃混合物的混合性不良，并且在燃烧室内这样的非均匀空燃混合物会导致不稳定的燃烧。因而，随着发动机转速升高(在此情况下不容易发生前述问题)，增大缸内喷射器110的燃料喷射比率，随着发动机负荷升高(在此情况下容易发生前述问题)，减小缸内喷射器110的燃料喷射比率。DI比率r的这些变化在图6和图7中以十字箭头表示。以此方式，由于不稳定燃烧引起的发动机输出转矩的变化能够得到抑制。注意，这些措施实质上等同于随着发动机的状态朝向预定低速区域移动而使缸内喷射器110的燃料喷射比率减小的措施，或者随着发动机状态朝向预定低负荷区域移动而使缸内喷射器110的燃料喷射比率增大的措施。此外，在除了上述区域(由图6和图7中的十字箭头表示)以外的且仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射的区域中(在高速侧和在低负荷侧)，即使当仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射时也易于将空燃混合物设定成均匀。在此情况下，缸内喷射器110喷射的燃料在燃烧室内伴随着汽化潜热(通过吸收来自燃烧室的热量)而雾化。因而，空燃混合物的温度在压缩末端降低，从而提高了防爆震性能。此外，随着燃烧室的温度降低，进气效率得到提高，这导致了高的动力输出。
在结合图4-图7进行说明的发动机10中，通过将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在进气冲程而实现均匀燃烧，同时通过将其设定在压缩冲程而实现层状燃烧。即，当缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩冲程时，可以使浓的空燃混合物局部地位于火花塞周围，使得在燃烧室内总体为稀的空燃混合物点火以实现层状燃烧。即使缸内喷射器110的燃料喷射正时被设定在进气冲程，如果可以使浓的空燃混合物局部地位于火花塞周围，也能够实现层状燃烧。
如此处所使用，层状燃烧包括层状燃烧和以下所述的半层状燃烧两者。在半层状燃烧中，进气歧管喷射器120在进气冲程喷射燃料以在整个燃烧室内产生稀且均匀的空燃混合物，然后缸内喷射器110在压缩冲程喷射燃料以产生围绕火花塞的浓的空燃混合物，以改善燃烧状态。这样的半层状燃烧在催化剂预热运行中是优选的，其原因如下。在催化剂预热运行中，必须大幅度地延迟点火正时，并且维持良好的燃烧状态(怠速状态)，使高温燃烧气体到达催化剂。此外，需要供给一定量的燃料。如果采用层状燃烧来满足这些要求，则燃料量将不足。利用均匀燃烧，与层状燃烧的情况相比，出于维持良好燃烧的目的使得延迟量较小。由于这些原因，尽管可以采用层状燃烧和半层状燃烧中的任何一个，但是在催化剂预热运行中优选采用上述半层状燃烧。
此外，在结合图4-图7进行说明的发动机中，缸内喷射器110的燃料喷射正时优选地设定在压缩冲程，其原因如下。注意，对于大部分基本区域，缸内喷射器110的喷射正时设定在进气冲程中(此处，基本区域是指除了在进气歧管喷射器120在进气冲程进行喷射燃料且缸内喷射器110在压缩冲程喷射燃料以进行半层状燃烧(仅仅在催化剂预热状态下进行)的区域以外的区域)。然而，出于使燃烧稳定的目的，缸内喷射器110的燃料喷射正时可以暂时设定在压缩冲程中，这将在下面描述。
当缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩冲程时，在气缸的温度相对较高的时段期间，空燃混合物由所喷射的燃料冷却。这提高了冷却效果，并且因而提高了防爆震性能。此外，当缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩冲程时，从燃料喷射到点火所需的时间较短，由此通过喷雾使气流得到强化，增大了燃烧速率。随着防爆震性能的提高和燃烧速率的增大，能够避免燃烧的波动，使得提高了燃烧的稳定性。
此外，无论发动机10的温度如何(即，无论发动机10是处于暖态还是冷态)，都可以在怠速关闭状态(当怠速开关是“关闭”时，当加速踏板被按压时)下使用如图4或6所示的用于暖态的图(即，无论发动机状态是冷态还是暖态，对于低负荷区域都使用缸内喷射器110)。
应该理解，此处公开的实施例在每个方面都是示例性的而非限制性的。本发明的范围由各项权利要求而非以上说明限定，并且意在包括落在与各项权利要求相等同的范围和含义内的任何修改。

Claims (14)

1.一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸中的第一燃料喷射机构和将燃料喷射到进气歧管中的第二燃料喷射机构，所述内燃机具有排气系统，所述排气系统设置有催化剂，所述催化剂用于净化排气，并且在至少预定温度的温度下活化，所述控制设备包括：
检测单元，其检测对所述催化剂的预热请求；
控制单元，其基于所述内燃机的需求条件控制所述第一和第二燃料喷射机构，使得所述第一和第二燃料喷射机构分担燃料喷射；和
点火控制单元，其控制点火装置，其中
在所述第一和第二燃料喷射机构分担燃料喷射并且检测到所述预热请求的情况下，所述控制单元控制所述第一和第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构的燃料喷射比率至少等于所述第二燃料喷射机构的燃料喷射比率，并且
当检测到所述预热请求时，所述点火控制单元控制所述点火装置以延迟点火正时。
2.根据权利要求1所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述控制单元控制所述第一燃料喷射机构在压缩冲程中喷射燃料。
3.根据权利要求1所述的用于内燃机的控制设备，所述控制设备还包括输出控制单元，其控制所述内燃机以防止当根据所述预热请求控制所述内燃机时所述内燃机的输出减小。
4.根据权利要求3所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述输出控制单元通过增大供应到所述内燃机的喷射燃料量来防止所述内燃机的输出减小。
5.根据权利要求3所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述输出控制单元通过增大供应到所述内燃机的空气量来防止所述内燃机的输出减小。
6.根据权利要求1所述的用于内燃机的控制设备，所述控制设备还包括检测所述内燃机的温度的温度检测器，其中
当所述内燃机的温度低于预定温度时，所述温度检测器检测到所述预热请求被给出的情况。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述第一燃料喷射机构是缸内喷射器，所述第二燃料喷射机构是进气歧管喷射器。
8.一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸中的第一燃料喷射装置和将燃料喷射到进气歧管中的第二燃料喷射装置，所述内燃机具有排气系统，所述排气系统设置有催化剂，所述催化剂用于净化排气，并且在至少预定温度的温度下活化，所述控制设备包括：
检测装置，其用于检测对所述催化剂的预热请求；
控制装置，其用于基于所述内燃机的需求条件控制所述第一和第二燃料喷射装置，使得所述第一和第二燃料喷射装置分担燃料喷射；和
点火控制装置，其用于控制点火装置，其中
在所述第一和第二燃料喷射装置分担燃料喷射并且检测到所述预热请求的情况下，所述控制装置控制所述第一和第二燃料喷射装置，使得所述第一燃料喷射装置的燃料喷射比率至少等于所述第二燃料喷射装置的燃料喷射比率，并且
所述点火控制装置包括用于当检测到所述预热请求时控制所述点火装置以延迟点火正时的装置。
9.根据权利要求8所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述控制装置包括用于控制所述第一燃料喷射装置在压缩冲程中喷射燃料的装置。
10.根据权利要求8所述的用于内燃机的控制设备，所述控制设备还包括输出控制装置，其用于控制所述内燃机以防止当根据所述预热请求控制所述内燃机时所述内燃机的输出减小。
11.根据权利要求10所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述输出控制装置包括用于通过增大供应到所述内燃机的喷射燃料量来防止所述内燃机的输出减小的装置。
12.根据权利要求10所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述输出控制装置包括用于通过增大供应到所述内燃机的空气量来防止所述内燃机的输出减小的装置。
13.根据权利要求8所述的用于内燃机的控制设备，所述控制设备还包括用于检测所述内燃机的温度的温度检测装置，其中
所述温度检测装置包括用于当所述内燃机的温度低于预定温度时检测到所述预热请求被给出的情况的装置。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述第一燃料喷射装置是缸内喷射器，所述第二燃料喷射装置是进气歧管喷射器。
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