CN101363372A

CN101363372A - 内燃机

Info

Publication number: CN101363372A
Application number: CNA2008101351438A
Authority: CN
Inventors: 野田彻; 寺地淳; 新城崇; 角方章彦; 堀田勇
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: JP2009057958A; DE602008002504D1; CN101363372B; JP5035088B2

Abstract

本发明公开一种内燃机(100)，包括：燃料喷射阀(21，22)，其供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃烧速度比汽油高的第二燃料，从而在燃烧室(14)中形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物；火花塞(25)，其点燃空气燃料混合物；可编程控制器(41)，其编程为控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。这样，可以减少排放，并可通过自燃燃烧获得高的热效率。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及进行预混合压燃燃烧的内燃机。

背景技术

日本专利局于2004年公布的JP 2004-036538A公开了一种内燃机，该内燃机使空气燃料混合物经历压燃燃烧(自燃燃烧)。

根据现有技术的内燃机在燃烧室内形成均质空气燃料混合物。然后，在压缩行程的上止点附近，内燃机喷射氢气以在火花塞周围形成氢气空气混合物，其中氢气具有相对较高的辛烷值并且不易自燃。通过火花塞使氢气空气混合物发生火花塞点火燃烧，由于氢气空气混合物的燃烧膨胀，导致未燃区域内的均质空气燃料混合物被压缩，从而发生自燃燃烧。

发明内容

在根据现有技术的内燃机中，氢气局部地分布在火花塞周围附近。因此，就会发生与排放有关的下述问题。

因为必须通过火花塞可靠地点火，所以氢气空气混合物的稀薄度是受到限制的。相应地，氢气空气混合物的氢气浓度设置得相对较高，以实现高温燃烧。结果，在氢气空气混合物的燃烧过程中，不可避免地产生了氮的氧化物(NOx)。此外，未燃区域内的均质空气燃料混合物由于氢气空气混合物的燃烧膨胀而受到压缩，以便从点火点的位置顺序自燃。因此，不能使均质空气燃料混合物在整个燃烧室内同时自燃。特别是在发动机低负荷运行期间，在气缸壁面附近不能产生自燃，因此未燃燃料的排出量增加。

因此，本发明的目的是提供一种内燃机，该内燃机能够减少排放，同时通过自燃燃烧实现高的热效率。

为实现该目的，本发明提供了一种内燃机，包括：燃料喷射阀，其供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃烧速度比汽油高的第二燃料，从而在燃烧室内形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物；火花塞，其点燃空气燃料混合物；可编程控制器，其被编程为控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。

在后面的说明书和附图中描述并展示了本发明的细节以及其它特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的内燃机的示意图。

图2是示出由根据本发明的控制器执行的燃料喷射控制程序的流程图。

图3是示出由根据本发明的控制器存储的发动机运转状态图的内容的简图。

图4是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序供给到内燃机的正链烷烃、氢气和汽油的发热量之比的简图。

图5是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序的、发动机负荷与空气燃料混合物的过量空气系数之间的关系的简图。

图6是通过把图4的简图转换成正链烷烃、氢气和汽油的燃料喷射量所获得的简图。

图7是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序供给到冷机状态内燃机的正链烷烃、氢气和汽油的发热量之比的简图。

图8是示出根据由控制器执行的燃料喷射控制程序的、在冷机状态内燃机中发动机负荷与空气燃料混合物的过量空气系数之间的关系的简图。

图9是根据本发明第二实施例的内燃机的示意图。

图10是示出由根据本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射控制程序的流程图。

图11是示出根据由本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射控制程序供给到内燃机的正链烷烃和汽油的发热量之比的简图。

图12是示出根据由本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射控制程序的、发动机负荷与空气燃料混合物的过量空气系数之间的关系的简图。

图13是通过把图11的简图转换成正链烷烃和汽油的燃料喷射量所获得的简图。

图14是示出根据由本发明第二实施例的控制器执行的燃料喷射控制程序供给到内燃机的氢气的燃料喷射量的简图。

图15是根据本发明第三实施例的内燃机的示意图。

图16是示出由根据本发明第三实施例的控制器执行的燃料喷射量修正控制程序的流程图。

图17A和17B是在抑制不点火的控制中由根据本发明第三实施例的控制器执行的各个燃料喷射量的修正控制程序的流程图。

图18A和18B是在抑制爆震的控制中由根据本发明第三实施例的控制器执行的各个燃料喷射量的修正控制程序的流程图。

图19是示出由根据本发明第三实施例的控制器执行的、内燃机进气阀的关闭定时的可选控制的简图。

图20是示出由根据本发明第三实施例的控制器执行的、内燃机压缩比的可选控制的简图。

具体实施方式

下面参考图1至图6描述本发明的第一实施例。

参考图1，用于车辆的内燃机100包括气缸体11和设置在气缸体11上侧的气缸盖12。

容纳活塞13的气缸19形成在气缸体11内。燃烧室14由气缸19的壁面、活塞13的顶面和气缸盖12的下表面形成。当空气燃料混合物在燃烧室14内燃料时，活塞13受到燃烧压力的作用并在气缸19内往复运动。

在气缸盖12内形成有进气口15A，该进气口与进气通道15连通并通向燃烧室14的一侧。进气阀16设置在进气口15A内。当进气阀16打开时，空气通过进气口15A被吸入燃烧室14，其中，已经通过空气滤清器从吸入的空气中除去灰尘颗粒等。

在气缸盖12内形成有排气口17A，该排气口与排气通道17连通并通向燃烧室14的另一侧。排气阀18设置在排气口17A内。当排气阀18打开时，燃烧后的废气通过排气口17A从燃烧室14排出。

进气阀16和排气阀18由各自的阀驱动机构161、181打开和关闭。阀驱动机构161、181由凸轮轴构成，该凸轮轴相对于内燃机100的曲轴具有固定的角度相位。

燃料喷射阀21设置在气缸盖12中，靠近气缸中心。火花塞25设置在气缸盖12中，与燃料喷射阀21相邻。在内燃机100中，除了燃料喷射阀21外，还另外提供了两个燃料喷射阀22、23作为燃料供给装置。燃料喷射阀22、23都设置在气缸盖12内，以便向进气口15A内喷射燃料。

向各个燃料喷射阀21-23供给具有不同性质的燃料。具有高自燃性的正链烷烃作为第一燃料供给到燃料喷射阀22，该燃料喷射阀22设置在离燃烧室14最远的位置。具有高燃烧速度的氢气作为第二燃料供给到燃料喷射阀23，该燃料喷射阀23设置在比燃料喷射阀22更接近燃烧室14的位置。具有高辛烷值的汽油作为第三燃料供给到燃料喷射阀21，该燃料喷射阀21设置在气缸盖12的中心位置。

氢气具有最高的燃烧速度，而汽油和正链烷烃的燃烧速度大致相等。燃料的自燃性按照正链烷烃、汽油和氢气的顺序降低。

正链烷烃和氢气都是利用汽油作为原料获得的。汽油存储在燃料箱31中。燃料箱31设置有低压燃料泵32。燃料箱31中的汽油被低压燃料泵32泵送并供给到燃料分离器33。

在燃料分离器33中，包含在汽油中的正链烷烃被膜分离。分离的正链烷烃被供给到燃料重整机构34。

燃料重整机构34由利用催化剂通过脱氢反应从正链烷烃中提取氢的装置构成。在供给到燃料重整机构34的正链烷烃中，一部分用于脱氢反应，其余部分供给到燃料喷射阀22。在燃料重整机构34中，氢从一部分供给的正链烷烃中分离出来，并被提取为氢气。氢气通过气泵35供给到燃料喷射阀23。在脱氢反应中使用的正链烷烃在氢从其中分离出去之后，转换成由芳香组分代表的低自燃性燃料。芳香组分返回到燃料分离器33。芳香组分和在正链烷烃被膜分离之后剩下的汽油一起被高压燃料泵36供给到燃料喷射阀21。

燃料喷射阀21-23的喷射量和喷射定时、以及火花塞25的点火定时由控制器41控制。控制器41由具有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、以及输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。

控制器基于从加速踏板下压传感器51、曲轴转角传感器52和水温传感器53输入的信号执行上述控制，其中，加速踏板下压传感器51检测设置在车辆内的加速踏板的下压量，曲轴转角传感器52在内燃机100的预定曲轴转角间隔产生曲轴转角信号，水温传感器53检测内燃机100的冷却水温度。

下面参考图2描述控制器41的操作。图2是示出控制器41执行的燃料喷射控制程序的流程图。在内燃机100运行期间，以固定的间隔(例如10毫秒)重复地执行该程序。

在步骤S101，控制器41读取加速踏板下压量APO、发动机转速Ne、冷却水温度Tw作为发动机运转状态。来自曲轴转角传感器52的曲轴转角信号用作表示内燃机100的发动机转速Ne的信号。加速踏板下压量APO用作表示内燃机100的发动机负荷Ld的信号。

在步骤S102，控制器41确定发动机运转状态所属的区域。通过参考例如图3中所示的运转区域图来执行上述确定。该运转区域图是基于试验结果等预先生成的，并存储在控制器41的ROM中。

当发动机运转状态处于低负荷/低转速区域A中时，利用三个燃料喷射阀21-23在燃烧室14中形成稀薄的均质空气燃料混合物。为形成均质空气燃料混合物，燃料喷射阀21在进气冲程中喷射汽油，燃料喷射阀22、23在排气冲程中分别喷射正链烷烃和氢气。相反地，当发动机运转状态处于高负荷或高转速区域B中时，不驱动燃料喷射阀22、23。通过在进气冲程中仅驱动燃料喷射阀21以向燃烧室14内直接喷射汽油，来在燃烧室14内形成具有化学计量空燃比的均质空气燃料混合物。

参考图2，在步骤S103，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷射阀22喷射的正链烷烃喷射量Qf1。当发动机运转状态处于区域B中时，停止除供给汽油的燃料喷射阀21以外的燃料喷射阀22、23的操作，从而将正链烷烃喷射量Qf1设置为零。

在步骤S104，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷射阀23喷射的氢气喷射量Qf2。当发动机运转状态处于区域B中时，出于和步骤S103中相同的原因，氢气喷射量Qf2被设置为零。

在步骤S105，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷射阀21喷射的汽油喷射量Qf3。

在步骤S106，控制器41在排气冲程或进气冲程内以预定定时驱动燃料喷射阀22，以便以喷射量Qf1将正链烷烃喷射到进气口15A内。

在步骤S107，控制器41在排气冲程或进气冲程内以预定定时驱动燃料喷射阀23，以便以喷射量Qf2将氢气喷射到进气口15A内。

在步骤S108，控制器41在进气冲程内以预定定时驱动燃料喷射阀21，以便以喷射量Qf3将汽油喷射到燃烧室14内。

下面参考图4至图6描述在低负荷/低转速区域A中在燃烧室14中形成的均质空气燃料混合物。

图4示出在根据控制器41执行的燃料喷射控制程序供给到燃烧室14的总燃料喷射量Qtotal中的正链烷烃、氢气和汽油各自的发热量之比(供给比例)Ffrac。图5示出了发动机负荷Ld与全部空气燃料混合物的过量空气系数Lamd之间的关系。

参考图5，随着发动机负荷Ld降低，控制器41增加过量空气系数Lamd，使得在燃烧室14中形成更稀薄的均质空气燃料混合物。对于各燃料的供给比例Ffrac，如图4所示，随着发动机负荷Ld降低，正链烷烃和氢气的比例增加，而汽油的比例减小。

当发动机负荷Ld为低负荷Ld1时，确定总燃料喷射量以使过量空气系数Lamd达到3。在这种情况下，氢气的供给比例Ffrac设置为0.4，正链烷烃的供给比例Ffrac设置为0.6。另一方面，当发动机负荷Ld是高负荷Ld2时，确定总燃料喷射量以使过量空气系数Lamd达到2。在这种情况下，氢气的供给比例Ffrac设置为0.3，正链烷烃的供给比例Ffrac设置为0.21，汽油的供给比例Ffrac设置为0.49。

图6示出了将图4所示各燃料的供给比例Ffrac转换成与发热量相关的燃料喷射量Qf。

过量空气系数Lamd随着发动机负荷Ld降低而增加，因此，如图6所示，总燃料喷射量Qtotal随着发动机负荷Ld降低而减少。但是，正链烷烃和氢气的供给比例随着发动机负荷Ld的降低而增加，因此，正链烷烃和氢气各自的喷射量Qf1、Qf2随着发动机负荷Ld的降低而增加。通过在区域A中调整具有不同燃烧特性的三种燃料的供给比例，可以调整空气燃料混合物的自燃性和燃烧速度，同时保持整体的燃料浓度，或者换句话说，保持发动机的输出，从而可以实现具有所需特性的燃烧。

参考图6，随着发动机负荷Ld的增加，控制器41减少正链烷烃喷射量Qf1，从而抑制了爆震。此外，当发动机负荷Ld增加时，总燃料喷射量Qtotal也增加，从而可以与氢气无关地稳定点火。相应地，氢气喷射量Qf2随着发射机负荷Ld的增加而减少。因此，在区域A中，随着发动机负荷Ld增加，燃烧从促进自燃燃烧的燃烧模式逐渐转移到火花塞点火燃烧。

在内燃机100中，在燃烧室14中形成的空气燃料混合物以下面所述的方式燃烧。

当发动机运转状态处于低负荷/低转速区域A中时，高自燃性的正链烷烃和高燃烧速度的氢气与汽油一起在整个燃烧室14内扩散，以形成稀薄的均质空气燃料混合物。该均质空气燃料混合物具有高自燃性和高燃烧速度。当均质空气燃料混合物由火花塞25点火时，虽然均质空气燃料混合物处于稀薄状态，但由于高燃烧速度的氢气的作用，该均质空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，并且火焰扩展到燃烧室14内的空气燃料混合物。在火焰传播燃烧期间，空气燃料混合物的未燃部分由于燃烧膨胀而被压缩，并且由于高自燃性的正链烷烃的作用，未燃的空气燃料混合物实现自燃燃烧。因此，在内燃机100中，燃烧室14中的均质空气燃料混合物在燃烧的前半部分经历火焰传播燃烧，在燃烧的后半部分经历自燃燃烧。

另一方面，当发动机运转状态处于高负荷或高转速区域B中时，喷射汽油以获得化学计量空燃比，由此在燃烧室14中形成均质空气燃料混合物。该均质空气燃料混合物由火花塞25点火，并经历火焰传播燃烧。

上述内燃机100可获得如下有益效果。

在内燃机100中，调节高自燃性的正链烷烃和高燃烧速度的氢气的供给比例，以使被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧，从而在燃烧室14内形成包含正链烷烃和氢气的均质空气燃料混合物。因此，燃烧室14中的均质空气燃料混合物由于氢气的作用而在燃烧的前半部分经历火焰传播燃烧，并且由于正链烷烃的作用而在燃烧的后半部分经历自燃燃烧。通过正链烷烃促进空气燃料混合物的自燃燃烧，因此，即使在低负荷状态下也能实现稳定的自燃燃烧。结果，实现了高的热效率。

此外，稀薄的均质空气燃料混合物由火花塞25点火，但是，由于氢气的燃烧速度比汽油高，所以，由于氢气的作用，空气燃料混合物的燃烧不会出现不点火的现象。因此，可以抑制排放的恶化，而不用象现有技术中那样形成具有高燃料浓度的空气燃料混合物并使该空气燃料混合物自燃。

另外，由于高燃烧速度的氢气的作用，正在燃烧的空气燃料混合物的火焰在整个燃烧室14内快速扩展。因此，在整个燃烧室14内(包括燃烧室14的壁面附近的区域)，可以快速获得通过燃烧膨胀而产生的压缩作用。结果，可以使整个燃烧室14内的空气燃料混合物经历自燃燃烧，并且可以减少排出的未燃燃料。

在本实施例中，应该注意，可以根据冷却水温度Tw改变正链烷烃和氢气在总燃料喷射量Qtotal中的供给比例Ffrac。如图4中的双点划线所示，与发动机完成暖机的情况(由实线表示)相比，在冷却水温度Tw低的冷机期间，正链烷烃和氢气的供给比例Ffrac增加。由于这种调节，可以与发动机的暖机条件无关地维持空气燃料混合物的燃烧速度和自燃性，从而可以稳定燃烧。

参考图7，各燃料的供给比例Ffrac不必随着发动机负荷Ld的降低而线性增加，而是可以以二次函数形式增加。随着发动机负荷Ld降低，可以通过加大相对于发动机负荷Ld的变化率来增加正链烷烃和氢气各自的供给比例。在这种情况下，如图8所示，过量空气系数Lamd同样随着发动机负荷Ld的降低而增加。

下面参考图9到图14描述本发明的第二实施例。

根据该实施例的内燃机100与第一实施例的区别在于燃烧室、燃料系统的构成以及对它们的控制。内燃机100的其它部分与在第一实施例中的对应部分相同。

参考图9，内燃机100包括主燃烧室141和固定容积的辅助燃烧室142，其中，主燃烧室141由气缸19的壁面、气缸盖12和活塞13限定，辅助燃烧室142与主燃烧室141分开并通过喷射孔142A连接在主燃烧室141上。当辅助燃烧室142内的空气燃料混合物燃料时，辅助燃烧室142形成通过每个喷射孔142A向主燃烧室141喷出的火炬。

内燃机100包括作为燃料供给装置的燃料喷射阀21-23。燃料喷射阀23布置在气缸盖12中，位于气缸中心附近。燃料喷射阀23向辅助燃烧室142中喷射具有高燃烧速度的氢气。燃料喷射阀21、22都布置在气缸盖12中，以便向进气通道15的进气口15A中喷射燃料。燃料喷射阀21喷射具有高辛烷值的汽油。燃料喷射阀22喷射具有高自燃性的正链烷烃。

下面参考图10描述由本实施例的控制器41执行的燃料喷射控制程序。控制器41执行该控制程序以代替图2所示的控制程序。

在步骤S201中，控制器41读取加速踏板下压量APO、发动机转速Ne、以及冷却水温度Tw作为发动机运转状态。

在步骤S202，控制器41通过参考图3所示的运转区域图确定发动机运转状态所属的区域。

当发动机运转状态处于图3的低负荷/低转速区域A中时，利用燃料喷射阀21、22在主燃烧室141中形成包含汽油和正链烷烃的稀薄的均质空气燃料混合物，并且通过燃料喷射阀23将氢气喷射到辅助燃烧室142中。在压缩冲程中，随着活塞13上升，在主燃烧室141中形成的稀薄的均质空气燃料混合物流入辅助燃烧室142，因此，在辅助燃烧室142中形成包含正链烷烃、汽油和氢气的空气燃料混合物。另一方面，当发动机运转状态处于高负荷或高转速区域B中时，仅利用燃料喷射阀21在主燃烧室141中形成具有化学计量空燃比的均质空气燃料混合物。

在步骤S203，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷射阀22喷射的正链烷烃喷射量Qf4。当发动机运转状态处于区域B中时，喷射量Qf4设置为零。

在步骤S204，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷射阀23喷射的氢气喷射量Qf5。当发动机运转状态处于区域B中时，喷射量Qf5设置为零。

在步骤S205，控制器41根据发动机运转状态计算将要由燃料喷射阀21喷射的汽油喷射量Qf6。

在步骤S206，控制器41在排气冲程或进气冲程以预定定时驱动燃料喷射阀22，使得以喷射量Qf4将正链烷烃喷射到进气口15A内。

在步骤S207，控制器41在压缩冲程中的预定定时驱动燃料喷射阀23，使得以喷射量Qf5将氢气喷射到辅助燃烧室142内。

在步骤S208，控制器41在排气冲程或进气冲程以预定定时驱动燃料喷射阀21，使得以喷射量Qf6将汽油喷射到进气口15A内。

下面参考图11到图13描述在低负荷/低转速区域A中在主燃烧室141中形成的均质空气燃料混合物。另外，参考图14描述喷射到辅助燃烧室142中的氢气。

图11示出在根据控制器41执行的燃料喷射控制程序供给到主燃烧室141的总燃料喷射量Qtotal中的正链烷烃和汽油各自的发热量之比(供给比例)Ffrac。在本实施例中，由于氢气喷射到与主燃烧室141分开的辅助燃烧室142中，因此，从总燃料喷射量Qtotal中排除了氢气。图12示出了发动机负荷Ld与全部空气燃料混合物的过量空气系数Lamd之间的关系。

参考图12，随着发动机负荷Ld降低，控制器41增加过量空气系数Lamd。结果，以稀薄的均质空气燃料混合物进行燃烧。对于该空气燃料混合物，如图11所示，正链烷烃的供给比例Ffrac随着发动机负荷Ld降低而增加。相反地，汽油的供给比例Ffrac随着发动机负荷Ld的降低而减少。

在发动机负荷是低负荷Ld1时，控制器41确定总燃料喷射量，使得过量空气系数Lamd达到3。在这种情况下，正链烷烃的供给比例Ffrac设置为1.0，并且汽油的供给比例Ffrac设置为零。另一方面，当发动机负荷Ld是高负荷Ld2时，控制器41确定总燃料喷射量，使得过量空气系数Lamd达到2。在这种情况下，正链烷烃的供给比例设置为0.3，汽油的供给比例设置为0.7。

图13示出了将图11所示各燃料的供给比例Ffrac转换成与发热量相关的燃料喷射量Qf。

过量空气系数Lamd随着发动机负荷Ld降低而增加，因此，如图13所示，总燃料喷射量Qtotal随着发动机负荷Ld降低而减少。但是，控制器41相对于发动机负荷Ld的降低而增加正链烷烃的比例，因此，正链烷烃喷射量Qf4随着发动机负荷Ld降低而增加。因此，对于在主燃烧室141中形成的均质空气燃料混合物，可以调节通过正链烷烃的作用而获得的自燃性。

参考图14，根据发动机负荷Ld调节喷射到辅助燃烧室142中的氢气喷射量Qf5。氢气喷射量Qf5随着发动机负荷Ld降低而增加。通过氢气的作用，可以调节在辅助燃烧室142中形成的空气燃料混合物的燃烧速度。

在内燃机100中，在主燃烧室141中形成的空气燃料混合物以下述方式进行燃烧。

当发动机运转状态处于区域A中时，高自燃性的正链烷烃和汽油一起在整个主燃烧室141内扩散，以形成均质空气燃料混合物。在压缩冲程中，随着活塞13上升，主燃烧室141中的空气燃料混合物通过喷射孔142A流入辅助燃烧室142。从主燃烧室141流入辅助燃烧室142的空气燃料混合物是稀薄的。由于高燃烧速度的氢气供给到辅助燃烧室142中，所以确保了辅助燃烧室142中的空气燃料混合物的可燃性。当辅助燃烧室142中的空气燃料混合物被火花塞25点火时，即使从主燃烧室141流入辅助燃烧室142中的空气燃料混合物是稀薄的，但由于氢气的作用，辅助燃烧室142中的空气燃料混合物也经历火焰传播燃烧。由于这种燃烧，形成了通过每个喷射孔142A向主燃烧室141喷出的火炬。由于高燃烧速度的氢气的作用，火炬在整个主燃烧室141中快速扩展。调节高自燃性的正链烷烃和高燃烧速度的氢气的供给比例，使得通过火炬导致主燃烧室141中的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。因此，主燃烧室141中的空气燃料混合物由火炬点火以经历火焰传播燃烧，然后由于燃烧膨胀而经过自燃燃烧。

当发动机运转状态处于区域B中时，以对应于化学计量空燃比的量喷射汽油，由此在主燃烧室141中形成具有化学计量空燃比的均质空气燃料混合物。在压缩冲程中，该均质空气燃料混合物的一部分通过每个喷射孔142A流入辅助燃烧室142。当辅助燃烧室142中的空气燃料混合物由火花塞25点火时，辅助燃烧室142中的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧。火炬通过每个喷射孔142A喷射到主燃烧室141中。由于该火炬，主燃烧室141中的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧。

根据第二实施例的上述内燃机100可获得如下有益效果。

在内燃机100中，在主燃烧室141中形成的均质空气燃料混合物由火炬点火。通过正链烷烃的作用促进该空气燃料混合物的自燃性，因此，可实现稳定的自燃燃烧，由此可获得与第一实施例类似的有益效果。

此外，正链烷烃是具有高自燃性的燃料，因此，不需要形成强大的火炬以使主燃烧室141中的空气燃料混合物经历自燃燃烧。因此，可以抑制火炬在主燃烧室141的内部导致的扰动，并且可以避免由于冷却损失而造成的热效率下降。

另外，通过向辅助燃烧室142供给具有高燃烧速度的氢气，可以改善辅助燃烧室142中的空气燃料混合物的可燃性，使得可以实现更加稳定的燃烧。氢气喷射量Qf5随着发动机负荷Ld的降低而增加，因此，可以与发动机负荷Ld无关地维持辅助燃烧室142中的空气燃料混合物的可燃性。因此，可以稳定地使主燃烧室141中的空气燃料混合物经历自燃燃烧。

与第一实施例类似，可以根据冷却水温度Tw改变正链烷烃在总燃料喷射量Qtotal中的供给比例Ffrac。如图11中的双点划线所示，与发动机完成暖机的情况(用实线表示)相比，在冷却水温度Tw低的冷机期间，正链烷烃的供给比例增加。

如图14中的双点划线所示，在冷机期间，在改变正链烷烃的供给比例的同时或者代替改变正链烷烃的供给比例，相对于实线所示的情况增加氢气供给比例Qf5。

下面参考图15、16、17A和17B、18A和18B描述本发明的第三实施例。

根据该实施例的内燃机100与第一实施例的内燃机基本相同，区别在于控制器41执行燃料喷射控制，使得在低负荷/低转速区域A中的燃烧更加稳定。更具体地，根据空气燃料混合物的燃烧状态修正各燃料的喷射量，下面的描述将集中于这一点。

参考图15，内燃机100包括气缸压力传感器54和爆震水平传感器55。

设置在气缸体11中的气缸压力传感器54检测燃烧室14的内部压力。来自气缸压力传感器54的检测信号输入控制器41。

爆震水平传感器55设置在气缸体11内，用于检测在发动机主体中产生的振动。来自爆震水平传感器55的检测信号输入控制器41。

基于来自气缸压力传感器54和爆震水平传感器55的检测信号，控制器41确定在低负荷/低转速区域A中空气燃料混合物的燃烧状态。控制器41根据燃烧状态修正各燃料的喷射量Qf1-Qf3。

下面参考图16、17A和17B、18A和18B描述在区域A中由控制器41执行的燃料喷射量修正控制程序。

图16是由控制器41执行的燃料喷射量修正控制程序的流程图。当发动机运转状态处于区域A中时，以固定间隔(例如10毫秒)执行该程序。

在步骤S301，控制器41读取气缸压力P和爆震水平N作为发动机运转状态。根据来自气缸压力传感器54的检测信号计算气缸压力P。根据由爆震水平传感器55检测的振动量计算爆震水平N。计算的气缸压力P和爆震水平N例如作为时间相关值(波形)存储在控制器41的ROM中，并且在每一个随后的步骤中，都读取在火焰传播燃烧期间或自燃燃烧期间的气缸压力P和爆震水平N。

在步骤S302中，控制器41判断在燃烧室14中的均质空气燃料混合物的火焰传播燃烧期间的气缸压力P_A是否小于基准压力P₁。当气缸压力P_A小于基准压力P₁时，则判定在燃烧的前半部分的火焰传播燃烧期间发生了不点火，程序前进到步骤S303。另一方面，当气缸压力P_A大于或等于基准压力P₁时，则判定在火焰传播燃烧时没有发生不点火，程序前进到步骤S304。

应该注意，检测膨胀冲程中的活塞上止点附近的气缸压力作为火焰传播燃烧期间的气缸压力P_A。

在步骤S303，控制器41执行火焰传播燃烧不点火控制子程序，以抑制火焰传播燃烧期间的不点火。后面参考图17A描述该火焰传播燃烧不点火控制子程序。

在步骤S304，控制器41判断在燃烧室14中的空气燃料混合物的自燃燃烧期间的气缸压力P_B是否小于基准压力P₂。基准压力P₂设置为比基准压力P₁大的值。当气缸压力P_B小于基准压力P₂时，判定在燃烧的后半部分的自燃燃烧期间发生了不点火，程序前进到步骤S305。另一方面，当气缸压力P_B大于或等于基准压力P₂时，则判定在自燃燃烧期间没有发生不点火，程序前进到步骤S306。

应该注意，检测膨胀冲程中的活塞上止点之后15°附近的气缸压力作为自燃燃烧期间的气缸压力P_B。

在步骤S305，控制器41执行自燃燃烧不点火控制子程序以抑制自燃燃烧期间的不点火。后面参考图17B描述该自燃燃烧不点火控制子程序。

在步骤S306和步骤S307，控制器41确定爆震产生状态。

在步骤S306，控制器41判断爆震水平N是否小于基准值N₁。当爆震水平N小于基准值N₁时，则判定没有发生爆震，并终止程序。另一方面，当爆震水平N大于或等于基准值N₁时，则判定发生了爆震，程序前进到步骤S307。

在步骤S307，控制器41判断爆震水平N是否小于基准值N₂。基准值N₂设置为比基准值N₁大的值。当爆震水平N小于基准值N₂时，则判定发生了微弱爆震，程序前进到步骤S308。另一方面，当爆震水平N大于或等于基准值N₂时，则判定发生了比微弱爆震更强烈的爆震，程序前进到步骤S309。

在步骤S308，控制器41执行微弱爆震控制子程序以抑制微弱爆震。下面参考图18A描述该微弱爆震控制子程序。

在步骤S309，控制器41执行强烈爆震控制子程序以抑制强烈爆震。下面参考图18B描述该强烈爆震控制子程序。

下面参考图17A描述火焰传播燃烧不点火控制子程序。

在步骤S331，控制器41通过向正链烷烃喷射量Qf1增加修正值dQf1_A来执行增量修正。

在步骤S332，控制器41通过向氢气喷射量Qf2增加修正值dQf2_A来执行增量修正。

在步骤S333，控制器41通过从汽油喷射量Qf3减去修正量dQf3_A来执行减量修正。修正值dQf3_A设定为这样的值，即：即使对正链烷烃和氢气进行增量修正之后，该值也能确保在空气燃料混合物燃烧期间的总发热量不改变。

当在空气燃料混合物燃烧的前半部分的火焰传播燃烧期间发生不点火时，通过增量修正氢气喷射量来提高空气燃料混合物的燃烧速度，并且通过增量修正正链烷烃喷射量来提高空气燃料混合物的自燃性。这样可以稳定火焰传播燃烧，并能更可靠地进行自燃燃烧。

控制器41构造为重复执行步骤S331-S333，直到在步骤S302中判定火焰传播燃烧期间的不点火被抑制了为止。控制器41可以构造为根据气缸压力P_A的值设置各燃料的修正值dQf1_A-dQf3_A。

下面参考图17B描述自燃燃烧不点火控制子程序。

在步骤S351，控制器41通过向正链烷烃喷射量Qf1增加修正值dQf1_B来执行增量修正。

在步骤S352，控制器41通过从汽油喷射量Qf3减去修正值dQf3_B来执行减量修正。修正值dQf3_B被设定为这样的值，即：即使对正链烷烃喷射量进行增量修正之后，该值也能确保在空气燃料混合物燃烧期间的总发热量不改变。

当在自燃燃烧期间发生不点火时，通过增量修正正链烷烃喷射量来提高空气燃料混合物的自燃性，从而可以抑制自燃燃烧期间的不点火。

控制器41构造为重复执行步骤S351和S352，直到在步骤S304中判定在自燃燃烧期间的不点火被抑制了为止。控制器41可构造为根据气缸压力P_B的值设置修正值dQf1_B、dQf3_B。

当在步骤S307中判定在内燃机100中发生了微弱爆震时，执行如图18A所示的微弱爆震控制子程序。

在步骤S381，控制器41通过向氢气喷射量Qf2增加修正值dQf2_C来执行增量修正。

在步骤S382，控制器41通过从汽油喷射量Qf3减去修正值dQf3_C来执行减量修正。修正值dQf3_C设置为这样的值，即：即使对氢气喷射量进行增量修正之后，该值也能确保在空气燃料混合物燃烧期间的总发热量不改变。

当发生微弱爆震时，通过增量修正氢气喷射量来提高空气燃料混合物的燃烧速度。这样可以缩短空气燃料混合物的燃烧时间，以便能够抑制微弱爆震。

控制器41构造为重复执行步骤S381和S382，直到在步骤S307中判定微弱爆震被抑制了为止。控制器41可构造为根据爆震水平N的值设置修正值dQf2_C和dQf3_C。

另一方面，当判定在内燃机100中发生了强烈爆震时，执行如图18B所示的强烈爆震控制子程序。

在步骤S391，控制器41通过从正链烷烃喷射量Qf1减去修正值dQf1_D来执行减量修正。

在步骤S392，控制器41通过向氢气喷射量Qf2增加修正值dQf2_D来执行增量修正。

在步骤S393，控制器41通过从汽油喷射量Qf3减去修正值dQf3_D来执行减量修正。修正值dQf3_D被设置为这样的值，即：即使在对正链烷烃喷射量进行减量修正并且对氢气喷射量进行增量修正之后，该值也能够确保在空气燃料混合物燃烧期间的总发热量不变化。

当发生强烈爆震时，通过增量修正氢气喷射量来提高空气燃料混合物的燃烧速度，并通过减量修正正链烷烃喷射量来降低空气燃料混合物的自燃性。这样可以抑制空气燃料混合物的自燃，同时缩短空气燃料混合物的燃烧时间，从而能够抑制强烈爆震。

控制器41构造为重复执行步骤S391-S393，直到在步骤S306中判定强烈爆震被抑制了为止。控制器41可构造为根据爆震水平N的值设置各燃料的修正值dQf1_D-dQf3_D。

根据第三实施例的内燃机100可以获得如下有益效果。

在内燃机100中，当发动机运转状态处于区域A中时，根据空气燃料混合物的燃烧状态修正各燃料的喷射量，从而可以稳定空气燃料混合物的燃烧状态。

2007年8月6日在日本提交的JP2007-204709和2008年4月16日在日本提交的JP2008-107232的内容通过引用方式并入本文。

尽管参考一些实施例描述了本发明，但本发明不限于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书的范围内可对上述实施例做出各种修改和变型。

例如，在第一实施例中，正链烷烃和氢气都分别通过燃料喷射阀22、23喷射到进气通道15内，但这些燃料可直接喷射到燃烧室14内。通过将正链烷烃直接喷射到燃烧室14内，可以避免如下情况，即：在所产生的预混合物的点火充分提前之前，空气燃料混合物经历自燃燃烧。此外，通过将氢气直接喷射到燃烧室14内，可以防止向进气通道15内回火。

在第二实施例中，通过安装专用部件来形成辅助燃烧室，但可以在气缸体11或气缸盖12中设置凹进部，从而通过该凹进部形成辅助燃烧室142。

在第三实施例中，基于来自爆震水平传感器55的检测值判定爆震，但是也可根据来自气缸压力传感器54的检测值判定爆震。在这种情况下，当爆震特有的频段的气缸压力波形中的气缸压力幅值M大于基准值M₁且小于基准值M₂时，判定发生了微弱爆震。当幅值M大于或等于基准值M₂时，判定发生了强烈爆震。

在第三实施例中，通过将气缸压力传感器54检测的气缸压力与基准压力相比较来判定不点火，但可以根据从燃烧期间检测的气缸压力计算的发热量来判定不点火。当根据火焰传播燃烧期间的气缸压力P计算的发热量Q_A小于基准发热量Q₁时，判定在火焰传播燃烧中发生了不点火。当根据自燃燃烧期间的气缸压力P计算的发热量Q_B小于基准发热量Q₂时，判定在自燃燃烧中发生了不点火。

在不点火时，曲轴角速度的变化率小于正常时的变化率，因此，可以根据曲轴角速度的变化率来判定不点火。可以根据曲轴转角传感器52的检测值来计算曲轴角速度的变化率。当火焰传播燃烧期间的角速度变化率Δw_A小于基准变化率Δw₁时，判定在火焰传播燃烧期间发生了不点火。当自燃燃烧期间的角速度变化率Δw_B小于基准变化率Δw₂时，判定在自燃燃烧期间发生了不点火。

可以在火花塞25中设置离子电流传感器，并且可以根据空气燃料混合物燃烧期间的离子电流来判定不点火。当空气燃料混合物燃烧时，根据燃烧状态而产生阳离子。离子电流传感器检测由阳离子产生的离子电流。当火焰传播燃烧期间的离子电流I_A小于基准电流值I₁时，判定在火焰传播燃烧时发生了不点火。当在自燃燃烧期间的离子电流I_B小于基准电流值I₂时，判定在自燃燃烧时发生了不点火。

在第一到第三实施例中，进气阀16可以由可变阀驱动机构驱动。参考图19，如果进气阀16的关闭定时IVC设置在活塞下止点之后，则随着发动机负荷Ld降低，进气阀16的关闭定时IVC向活塞下止点侧前进。通过控制关闭定时IVC，内燃机100的有效压缩比增加。因此，可以提高正链烷烃的自燃性，并且稳定地进行自燃燃烧。

在第一到第三实施例中，如图1、9和15所示，可提供可变地控制内燃机100的机械压缩比的可变压缩比机构71。在这种情况下，如图20所示，通过随着发动机负荷Ld的降低而提高机械压缩比CR，可以提高正链烷烃的自燃性作用。从而稳定地进行自燃燃烧。当机械压缩比CR提高时，除了稳定地自燃以外，还可提高热效率。

在第一到第三实施例中，通过单独地供给具有不同性质的多种燃料来实现预定的燃烧速度和预定的自燃性。但是，为获得预定的自燃性和燃烧速度，可以在单独提供的多个燃料箱中存储具有不同组分的多种预混合燃料，并且根据运转状态地向内燃机100分别供给这些燃料。

在第一到第三实施例中，除了存储汽油的燃料箱31外，还可提供存储正链烷烃的燃料箱和存储氢气的燃料箱，从而向各燃料喷射阀21-23供给存储在相应燃料箱中的燃料。

除了正链烷烃外，还可采用轻油、二甲醚、二乙醚或归类为具有高十六烷值的其它燃料作为第一燃料。

除了氢外，还可采用乙烯、乙炔或具有高分层燃烧速度的其它燃料作为第二燃料。

本发明由后附权利要求书限定。

附图标记清单

32 低压燃料泵

33 燃料分离器

34 燃料重整机构

35 气泵

36 高压燃料泵

51 加速踏板下压传感器

52 曲轴转角传感器

53 水温传感器

54 气缸压力传感器

55 爆震水平传感器

71 可变压缩比机构

161 阀定时控制机构

181 阀驱动机构

Claims

1.一种内燃机(100)，包括：

燃料供给装置(22，23)，其供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃烧速度比汽油高的第二燃料，使得在燃烧室(14)中形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物；

点火装置(25)，其点燃空气燃料混合物；

控制装置(41)，其控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。

2.根据权利要求1所述的内燃机(100)，其特征在于，

燃料供给装置(22，23)在整个燃烧室(14)内形成包含第一燃料和第二燃料的均质空气燃料混合物。

3.根据权利要求2所述的内燃机(100)，其特征在于，

除了第一燃料和第二燃料外，燃料供给装置(21-23)还供给自燃性比第一燃料低并且燃烧速度比第二燃料低的第三燃料，使得在整个燃烧室(14)中形成包含第一燃料、第二燃料和第三燃料的均质空气燃料混合物。

4.根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于，

随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加第一燃料和第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。

5.根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于，

控制装置(41)确定内燃机(100)是否处于冷机状态，当内燃机(100)处于冷机状态时，与暖机状态相比，控制装置(41)增加第一燃料和第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。

6.根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于，

控制装置(41)确定在火焰传播燃烧期间是否发生不点火，当在火焰传播燃烧期间发生不点火时，控制装置(41)增加第一燃料和第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。

7.根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于，

控制装置(41)确定在自燃燃烧期间是否发生不点火，当在自燃燃烧期间发生不点火时，控制装置(41)增加第一燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。

8.根据权利要求3所述的内燃机(100)，其特征在于，

控制装置(41)确定是否发生爆震，当发生爆震时，控制装置(41)增加第二燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。

9.根据权利要求8所述的内燃机(100)，其特征在于，

控制装置(41)确定是否发生比基准值更强烈的爆震，当发生比基准值更强烈的爆震时，控制装置(41)增加第二燃料的供给比例，并减少第一燃料和第三燃料的供给比例。

10.根据权利要求1所述的内燃机(100)，其特征在于，

燃烧室(14)包括主燃烧室(141)和辅助燃烧室(142)，主燃烧室(141)的容积根据活塞(13)的移动而变化，辅助燃烧室(142)具有固定的容积，并且通过喷射孔(142A)与主燃烧室(141)连通，

燃料供给装置(22，23)在主燃烧室(141)中形成包含第一燃料的均质空气燃料混合物，在辅助燃烧室(142)中形成包含第二燃料的均质空气燃料混合物，

火花塞(25)点燃在辅助燃烧室(142)中形成的包含第二燃料的均质空气燃料混合物，并且

控制装置(41)调节第一燃料和第二燃料的供给比例，使得主燃烧室(141)中的空气燃料混合物通过火炬经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧，其中火炬是在火花塞(25)点燃辅助燃烧室(142)中的空气燃料混合物之后，通过辅助燃烧室(142)中的空气燃料混合物的燃烧而产生的。

11.根据权利要求10所述的内燃机(100)，其特征在于，

燃料供给装置(21-23)向主燃烧室(141)供给自燃性比第一燃料低且燃料速度比第二燃料低的第三燃料，使得在主燃烧室(141)中形成包含第一燃料和第三燃料的均质空气燃料混合物。

12.根据权利要求11所述的内燃机(100)，其特征在于，

随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加第一燃料的供给比例，并减少第三燃料的供给比例。

13.根据权利要求11所述的内燃机(100)，其特征在于，

随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加第二燃料的供给比例。

14.根据权利要求11所述的内燃机(100)，其特征在于，

控制装置(41)确定内燃机(100)是否处于冷机状态，当内燃机(100)处于冷机状态时，与暖机状态相比，控制装置(41)增加第一燃料的供给比例，并且减少第三燃料的供给比例。

15.根据权利要求14所述的内燃机(100)，其特征在于，

当内燃机(100)处于冷机状态时，与暖机状态相比，控制装置(41)增加第二燃料的供给量。

16.根据权利要求1所述的内燃机(100)，其特征在于，

随着内燃机负荷降低，控制装置(41)增加空气燃料混合物的过量空气系数。

17.根据权利要求1所述的内燃机(100)，其特征在于，

当内燃机运转状态处于预定的低内燃机负荷、低内燃机转速区域时，控制装置(41)调节燃料供给比例。

18.根据权利要求1所述的内燃机(100)，还包括：

阀定时控制机构(161)，随着内燃机负荷降低，该阀定时控制机构(161)使进气阀(16)的关闭定时更靠近活塞下止点定时，以便提高有效压缩比。

19.根据权利要求1所述的内燃机(100)，还包括：

可变压缩比机构(71)，随着内燃机负荷降低，该可变压缩比机构(71)提高机械压缩比。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的内燃机(100)，其特征在于，

燃料供给装置(21-23)包括燃料喷射阀，点火装置(25)包括火花塞，控制装置(41)包括可编程控制器。

21.一种用于内燃机(100)的控制方法，所述内燃机(100)包括燃料供给装置(22，23)和点火装置(25)，所述燃料供给装置(22，23)供给自燃性比汽油高的第一燃料和燃料速度比汽油高的第二燃料，从而在燃烧室(14)中形成包含第一燃料和第二燃料的空气燃料混合物，所述点火装置(25)点燃空气燃料混合物，

所述方法包括：

控制第一燃料和第二燃料的供给比例，使得被点燃的空气燃料混合物经历火焰传播燃烧，然后经历自燃燃烧。