CN101925729B - 内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

在内燃发动机(1)中，在气缸盖(1H)侧形成翻转流(TF)，所述翻转流从开口于气缸盖(1H)上的进气口(3io)引导至开口于气缸盖(1H)上的排气口(3eo)。直接喷射阀(10)将燃料直接喷射至燃烧空间(B)中。直接喷射阀(10)在比介于进气上止点与进气下止点之间的中点更靠近所述进气上止点的点处朝着活塞顶面(5T)与气缸内表面(1Sw)相交的部分喷射燃料，并在其后再次将燃料喷射至所述燃烧空间(B)中。

Description

内燃发动机
技术领域
本发明涉及一种内燃发动机，所述内燃发动机具有用于将燃料直接喷射至燃烧空间中的燃料喷射阀。 
背景技术
在近年来的火花点火式内燃发动机中，用于将燃料直接喷射至燃烧空间中以与有助于燃烧的空气一起形成空气-燃料混合气的所谓直喷式内燃发动机已经投入实际使用。直喷式内燃发动机还能够通过所谓的均匀燃烧来操作，在所述均匀燃烧情况下，通过在进气行程期间将燃料喷射至燃烧空间中来使燃料和空气在燃烧空间内均匀混合而使燃料燃烧。在均匀燃烧操作中，重要的是均匀地散布燃料和空气，从而尽可能均匀地混合燃料和空气以获得良好燃烧。 
日本专利申请公开No.10-159619(JP-A-10-159619)(第[0005]至[0008]段)公开了一种通过在进气行程的第一半程和第二半程将燃料喷射至燃烧空间中来获得均匀的空气-燃料混合气的技术。另外，具有用于将燃料直接喷射至燃烧空间中的直接喷射阀以及用于将燃料喷射至进气孔中的进气口喷射阀的内燃发动机已投入实际使用，其中，进气口喷射阀用于在均匀燃烧时均匀地混合燃料和空气。 
但是，具有直接喷射阀和进气口喷射阀的这种内燃发动机结构复杂，导致生产成本的增加。此外，JP-A-10-159619中所公开的技术未考虑正在流入燃烧空间中的空气流。 
发明内容
本发明通过仅使用将燃料直接喷射至燃烧空间中的燃料喷射装置在将燃料直接喷射至燃烧空间的内燃发动机中在空间上均匀地改善了燃料和空气的混合。 
本发明的第一方面涉及一种内燃发动机。在所述内燃发动机中，从开 口于设置在气缸的一个端部处的气缸盖上的进气口引导至开口于所述气缸盖上的排气口的翻转流形成在气缸盖侧，活塞在所述气缸中往复运动。所述内燃发动机包括：燃烧空间，所述燃烧空间由所述气缸、所述气缸盖、以及在所述气缸内往复运动的所述活塞包围；以及燃料喷射装置，所述燃料喷射装置在比介于进气上止点与进气下止点之间的中点更靠近所述进气上止点的点处执行用于朝着所述气缸的位于所述活塞的顶面与所述气缸盖之间的内表面喷射燃料的前期燃料喷射以使所述燃烧空间中由所述前期燃料喷射形成的混合气偏心地位于排气侧，并在比所述前期燃料喷射的点更靠近所述进气下止点的点处执行用于将燃料喷射至所述燃烧空间中的后期燃料喷射。 
在所述前期燃料喷射期间，所述燃料喷射装置可朝着所述活塞的顶面与所述气缸的内表面相交的部分喷射燃料。 
所述燃料喷射装置可在通过所述前期燃料喷射而形成于所述燃烧空间中的空气-燃料混合气被通过从所述进气口引入至所述燃烧空间中的流体产生的翻转流移动至进气口侧之后执行所述后期燃料喷射。 
所述燃料喷射装置可在所述前期燃料喷射期间喷射燃料，以允许由所述燃料喷射装置喷射的燃料喷雾跟随从所述进气口流入所述燃烧空间中的流体的翻转流。 
所述燃料喷射装置可喷射燃料使得由所述燃料喷射装置喷射的所述燃料喷雾在到达所述活塞的顶面之前首先到达所述气缸的内表面。 
当由所述燃料喷射装置喷射的所述燃料喷雾的轴线和所述活塞的顶面与所述气缸的内表面相交的部分重叠时，所述燃料喷射装置可喷射燃料。 
当所述内燃发动机的发动机转速为预定的发动机转速或更低并且所述内燃发动机的负荷率至少为预定的负荷率时，所述燃料喷射装置可通过所述前期燃料喷射和所述后期燃料喷射将燃料喷射至所述燃烧空间中。 
当所述预定的发动机转速等于或低于所述内燃发动机的扭矩波动处于允许范围内时的发动机转速时，所述燃料喷射装置可通过所述前期燃料喷射和所述后期燃料喷射将燃料喷射至所述燃烧空间中。 
当喷射至所述内燃发动机中的燃料量至少为通过所述燃料喷射装置喷射的最小燃料量时，所述燃料喷射装置通过所述前期燃料喷射和所述后期 燃料喷射将燃料喷射至所述燃烧空间中。 
所述燃料喷射装置在至少所述前期燃料喷射或所述后期燃料喷射期间可多次喷射燃料。 
所述燃料喷射装置在所述前期燃料喷射中喷射的燃料量可大于在所述后期燃料喷射中喷射的燃料量。 
所述燃料喷射装置可设置在进气口侧。 
所述燃料喷射装置可设置在所述气缸盖的中央部分。 
本发明的第二方面涉及一种用于内燃发动机的燃料喷射控制方法。在所述内燃发动机中，从开口于设置在气缸的一个端部处的气缸盖上的进气口引导至开口于所述气缸盖上的排气口的翻转流形成在气缸盖侧，活塞在所述气缸中往复运动。所述用于内燃发动机的燃料喷射控制方法包括如下步骤：在比介于进气上止点与进气下止点之间的中点更靠近所述进气上止点的点处执行用于朝着所述气缸的位于所述活塞的顶面与所述气缸盖之间的内表面喷射燃料的前期燃料喷射以使燃烧空间中由前期燃料喷射形成的混合气偏心地位于排气侧；以及在比所述前期燃料喷射的点更靠近所述进气下止点的点处执行用于将燃料喷射至由所述气缸、所述气缸盖以及在所述气缸内往复运动的所述活塞包围的燃烧空间中的后期燃料喷射。 
通过仅使用将燃料直接喷射至燃烧空间中的燃料喷射装置，上述内燃发动机以及用于内燃发动机的燃料喷射控制方法在空间上均匀地改进了燃料与空气的混合。 
附图说明
根据以下参考附图对示例实施方式的描述，本发明的前述及另外的特征和优点将变得清楚，在附图中，相似的数字用于表示相似的元件，并且其中： 
图1是示出根据本发明实施方式的内燃发动机结构的示意图； 
图2A是示出在根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间内形成的燃料喷雾和翻转流的示意图； 
图2B是示出在根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间内形成的翻转流的俯视图； 
图3A是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图3B是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图3C是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图3D是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图3E是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图3F是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图4是从气缸盖侧所见的燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的俯视图； 
图5A是示出燃料被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的正时的说明图； 
图5B是示出通过单次喷射方法喷射燃料的正时的说明图； 
图6是示出用于喷射燃料的正时与扭矩波动之间的关系的说明图； 
图7是示出用于在单次喷射方法与根据实施方式的用于燃料喷射控制的多次喷射之间进行切换的条件的说明图； 
图8A是根据实施方式的燃料喷射控制的比较示例的示意图； 
图8B是用于对在根据实施方式的燃料喷射控制中执行的前期燃料喷射的适当正时进行说明的示意图； 
图9A是示出用于在根据实施方式的燃料喷射控制中在前期燃料喷射和后期燃料喷射中多次喷射燃料的方法的说明图； 
图9B是示出用于在根据实施方式的燃料喷射控制中在前期燃料喷射和后期燃料喷射中多次喷射燃料的方法的说明图； 
图10A是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图10B是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图10C是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图10D是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图10E是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中的说明图； 
图10F是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中的说明图；并且 
图11是从气缸盖侧所见的根据实施方式的改型的内燃发动机的示意图。 
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本发明。注意，本发明并不局限于实施本发明的最佳模式(以下称为“实施方式”)。另外，在下面的实施方式中描述的组件包括那些能够由本领域技术人员容易地想到的组件以及大致相同或等同的组件。 
本实施方式的特征在于，在带有用于将燃料直接喷射至由活塞、气缸、以及气缸盖包围的燃烧空间中的燃料喷射装置的火花点火式内燃发动机中，在比介于活塞的进气上止点与活塞的进气下止点之间的中点更靠近进气上止点的点处实施前期燃料喷射以朝着气缸的位于活塞的顶面与气缸盖之间的内表面(更具体为活塞的顶面与气缸的内表面相交的部分)喷射燃料；并在比前期燃料喷射的点更靠近进气下止点的点处执行后期燃料喷射以将燃料喷射至燃烧空间中。 
在此，燃料和空气的混合气的均匀性是用于指示燃烧空间中燃料相对于空气的比例的量度。空气-燃料混合气的均匀性越高，则燃料相对于空气的比例越低。换言之，空气-燃料混合气的均匀性是用于指示空气-燃料混合气中的燃料均匀分布的程度的量度。另外，燃料喷射控制是用于改变将燃料喷射至内燃发动机的燃料喷射正时、要供应到内燃发动机的燃料量、以及与用于内燃发动机的燃料喷射有关的其它参数的控制。 
图1是示出了根据发明的这种实施方式的内燃发动机的结构的示意图。构成内燃发动机1的气缸1S具有圆筒形结构，并且气缸中设置有活塞5。气缸1S的一个端部设置有气缸盖1H，而另一个端部连接至曲轴箱1C。活塞5在气缸1S内，即，在由气缸盖1H和气缸1S包围的空间内往复运动。活塞5与曲轴6通过连杆8彼此联接。活塞5的往复运动经由连杆8传递至曲轴6且随后被转变为旋转运动。 
由气缸1S、气缸盖1H和活塞5包围的空间是燃料F和有助于燃料F燃烧的空气A的混合气燃烧的空间。该空间被称为“燃烧空间B”。进气孔3i和排气孔3e与燃烧空间B相连。进气孔3i构成将空气A引入燃烧空间B中的进气通道的一部分。排气孔3e构成将在燃烧空间B中燃烧后的空气-燃料混合气的排气Ex排出到燃烧空间B外部的排气通道的一部分。 
用于将空气A引入至进气孔3i的进气引入通道15与进气孔3i相连接。进气引入通道15设置有用于改变进气引入通道15的横截面面积的节气门9。通过使用节气门9改变进气引入通道15的横截面面积来调节要引入燃烧空间B中的空气A的量。在此，节气门9的开度是通过节气门致动器9A来调节的。用于测量流入进气引入通道15中的空气A的量(每单位时间的量)的空气流量计43相比进气引入通道15的节气门9而言设置在更上游侧(在空气A的流动方向的上游侧，即，进气引入通道15的进气侧)。空气流量计43获取要被引入燃烧空间B中的空气A的量。 
进气孔3i和排气孔3e开口于气缸盖1H上。进气孔3i的开口部构成进气口3io，且排气孔3e的开口部构成排气口3eo。在进气口3io中设置有进气门4i以在预定的正时打开和关闭进气口3io。另外，在排气口3eo中设置有排气门4e以在预定的正时打开和关闭排气口3eo。进气门4i和排气门4e通过曲轴6的动力来驱动。 
用作为用于将燃料F直接喷射至燃烧空间B中的燃料喷射装置的直接喷射阀10安装在气缸盖1H上。燃料F为碳氢燃料，并且在本实施方式中使用汽油。燃料F从燃料分配管14供应至直接喷射阀10。以燃料箱11内的燃料F供应给燃料分配管14。通过低压泵(PL)12将燃料箱11内的燃料F进给至高压泵(Ph)13，籍此，燃料F被加压并随后供应至燃料分配管14。对高压泵13进行控制能够改变燃料分配管14内的燃料F的压力(燃料压力)。 
图1中所示的内燃发动机1具有多个气缸1S和活塞5。在这种情况下，直接喷射阀10设置在各气缸1S的燃烧空间B中。每个直接喷射阀10都安装在燃料分配管14上，且燃料F从燃料分配管14被供应至各直接喷射阀10。注意，在本实施方式中，并不具体限制气缸1S和活塞5的数目以及它们设置于内燃发动机1中的方式。 
各直接喷射阀10都将燃料F喷射到经由进气孔3i从进气口3io引入至燃烧空间B中的空气A，并形成燃料F与空气A的混合气。气缸盖1H安装有用作为点火装置的火花塞7。当火花塞7放电时，燃烧空间B中的空气-燃料混合气被点燃。通过空气-燃料混合气的燃烧所产生的燃烧气体的压力使活塞5在气缸1S内往复运动。燃烧气体在驱动活塞5之后变为排气Ex并经由排气口3eo被排至排气孔3e。如上所述，内燃发动机1是火花点火型往复式内燃发动机。 
内燃发动机1由发动机电子控制单元(ECU)30控制。因此，发动机ECU30获取来自用于测量内燃发动机1的曲轴的转动角度的曲柄角传感器41、用于检测加速器开度的加速器开度传感器42、以及空气流量计43的检测值，并基于这些检测值来对控制目标进行控制以对内燃发动机1进行控制。在此，发动机ECU30的控制目标包括火花塞7、直接喷射阀10、低压泵12、高压泵13、以及节气门致动器9A。 
发动机ECU30具有处理器50、包括燃料喷射量和燃料喷射正时的描述并用于控制内燃发动机1的操作的各种映射、以及用于存储内燃发动机1的控制计算程序等的存储装置31。处理器50例如由中央处理单元(CPU)和存储器构成。存储装置31例如由诸如闪存之类的非易失存储器、诸如只读存储器(ROM)之类的能够读取数据的存储器、诸如随机存取存储器(RAM)之类的能够读写数据的存储器、或者这些存储器的组合构成。 
处理器50具有控制条件判定部51和喷射控制器52。因此，处理器50执行根据实施方式的内燃发动机的燃料喷射控制。当处理器50具有能够控制内燃发动机1的点火正时并改变内燃发动机1打开/关闭或者提升进气门4i和排气门4e的正时的机构时，处理器50对这些机构进行控制。 
图2A是示出在根据本实施方式的内燃发动机的燃烧空间内形成的燃料喷雾和翻转流的示意图。图2B是示出在根据本实施方式的内燃发动机的燃烧空间内形成的翻转流的俯视图。如图2A所示，直接喷射阀10能够 在用于将燃料以根据内燃发动机1的运转条件所确定的量(以必要的燃料量)立即喷射至燃烧空间B中的喷射方法(单次喷射方法)与用于将必要量的燃料多次喷射至气缸1S的燃烧空间B中的喷射方法(多次喷射方法)之间切换。图2A示出了这样的情况：使用多次喷射方法将必要量的燃料例如分两次喷射。在这种情况下，燃烧空间B中存在第一次喷射的燃料喷雾Fm1和第二次喷射的燃料喷雾Fm2。 
翻转流TF形成于内燃发动机1的燃烧空间B内。如图2A和图2B所示，翻转流TF是这样的空气流：从进气孔3i的进气口3io进入燃烧空间B，并且被引导成从位于气缸盖1H侧的进气口3io朝向排气口3eo并随后朝向活塞5。为了方便起见，该翻转流被称为“常态翻转流”。能够通过调节例如进气孔3i相对于气缸1S的中心轴线Zc的倾度来调节翻转流TF的强度等。在本实施方式中，从直接喷射阀10沿着常态翻转流的翻转流TF喷射燃料。因此，直接喷射阀10设置在进气侧(设置有进气口3io的一侧)。直接喷射阀10还设置成使其燃料喷射孔在排气侧(设置有排气口3eo的一侧)面向曲轴箱1C侧(见图1)。 
图3A至图3F是示出燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的说明图。图4是从气缸盖侧所见的燃料如何被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的俯视图。图5A是示出燃料被喷射至根据实施方式的内燃发动机的燃烧空间中的正时的说明图。图5B是示出通过单次喷射方法喷射燃料的正时的说明图。在此，图5A和图5B中所示的水平轴各自表示压缩上止点之前的曲柄角，其中，360度点表示进气上止点。 
在根据本实施方式的燃料喷射控制中，在比介于活塞5的进气上止点与活塞5的进气下止点之间的中点更靠近进气上止点的点处，直接喷射阀10执行前期燃料喷射(第一燃料喷射)以朝气缸1S的位于活塞5的顶面(活塞顶面)5T与气缸盖1H之间的内表面(气缸内表面)1Sw喷射燃料。直接喷射阀10在比前期燃料喷射的点更靠近进气下止点的点处执行后期燃料喷射(第二燃料喷射)以将燃料喷射至燃烧空间B中。更具体地，在前期燃料喷射中，从直接喷射阀10朝向活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分喷射燃料。因此，能够加速燃料与空气的均匀混合。因而，在空间上均匀地改善了燃料与空气的混合，并且能够防止内燃发动机1中的扭矩波动以及燃烧恶化和燃料消耗的增加。 
接下来，详细描述根据本实施方式的燃料喷射控制。注意，在以下说明中，燃料喷射在前期燃料喷射和后期燃料喷射中被实施一次。在前期燃料喷射中所喷射的燃料量与在后期燃料喷射中所喷射的燃料量的总和等于内燃发动机的每个循环所需的燃料量(燃料喷射总量)。在本实施方式中，在前期燃料喷射期间从直接喷射阀10喷射的燃料量优选大于在后期燃料喷射期间从直接喷射阀10喷射的燃料量。需要特定量的时间使空气与被喷射至燃烧空间B中的燃料均匀混合。因此，通过使在前期燃料喷射期间所喷射的燃料量大于在后期燃料喷射期间所喷射的燃料量，能够使更大量的燃料与空气均匀混合。 
图3A示出了前期燃料喷射。前期燃料喷射(以下将称为“前期燃料喷射”)是在进气行程期间并且在比介于活塞5的进气上止点与活塞5的进气下止点之间的中点(相对于压缩上止点而言处于压缩上止点前270度)更加靠近进气上止点处被执行的。在前期燃料喷射期间，从直接喷射阀10喷射燃料使得燃料的喷雾(燃料喷雾)FmA被引导至位于排气侧(排气口3eo侧)的活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分(在图3A中由字母C包围的部分)。因此，从直接喷射阀10所喷射的燃料喷雾FmA的方向设定于如下角度：在该角度处，燃料喷雾FmA的轴线Zf与气缸内表面1Sw相交，并且气缸顶面5T位于进气上止点与介于进气上止点与进气下止点之间的中点之间。燃料喷雾FmA的轴线Zf与直接喷射阀10的燃料喷射孔的轴线匹配(平行于燃料喷射孔形成的方向且平行于燃料在燃料喷射孔中流动的方向)，并且平行于燃料喷雾FmA行进的方向。从直接喷射阀10所喷射的燃料喷雾FmA散开至预定的宽度并从进气侧(进气口3io侧)行进至位于排气侧(排气口3eo侧)的活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分。 
在前期燃料喷射中，在从直接喷射阀10所喷射的燃料喷雾FmA到达位于排气侧的活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分的正时处喷射燃料。更具体地，如以下将描述的，在从直接喷射阀10所喷射的燃料喷雾FmA在到达位于排气侧的活塞顶面5T之前到达气缸内表面1Sw的正时处喷射燃料。因此，能够实现在不减弱翻转流TF的情况下允许翻转流TF和燃料喷雾FmA彼此增强的效果。 
在图5A所示的示例中，在持续时间Δt1内，在压缩上止点之前的大约305度与压缩上止点之前的大约298度之间执行前期燃料喷射。在此正 时处从直接喷射阀10喷射燃料使燃料在排气侧偏心。因而，如图3B所示，燃料与空气的混合气GmA偏心地位于排气侧。现有技术中前期燃料喷射的正时通常被称为“最坏喷射正时(WIT)”。在单次喷射方法中，燃料和空气在WIT处混合极差，因此获得空气-燃料混合气的最差均匀性。因此，在现有技术中不在WIT处喷射燃料。 
当活塞5朝进气下止点移动时，进气门4i的开度增大，因此从进气孔3i经过进气口3io流入燃烧空间B中的空气量增加。如图3C所示，从进气口3io流入到燃烧空间B中的空气形成翻转流TF。该翻转流TF(常态翻转流)使偏心地位于排气侧的空气-燃料混合气GmA朝进气侧移动。因而，空气-燃料混合气GmA在燃烧空间B内偏心地位于进气侧，这使得排气侧(图3C中由字母D示出的部分)变为具有较少燃料或不具有燃料的区域。 
图3D示出了后期燃料喷射。后期燃料喷射(将称为“后期燃料喷射”)是在进气行程期间并在前期燃料喷射之后执行的。在后期燃料喷射期间，从直接喷射阀10喷射燃料使得燃料喷雾FmB被引导朝向位于排气侧的气缸内表面1Sw。具体地，直接喷射阀10朝着具有较少燃料或者不具有燃料的排气侧区域喷射燃料。在图5A所示的示例中，在持续时间Δt2内，在压缩上止点之前的大约240度与压缩上止点之前的大约232度之间执行后期燃料喷射。从前期燃料喷射结束至后期燃料喷射启动之间的时间间隔为ti。在该正时处从直接喷射阀10喷射燃料使得燃料在排气侧偏心。因而，如图3E所示，燃料与空气的混合气GmB偏心地位于排气侧，而在前期燃料喷射期间所喷射的空气-燃料混合气GmA偏心地位于进气侧。 
注意，当在压缩上止点附近启动后期燃料喷射时，可能没有足够的时间使燃料和空气混合，燃料和空气可能未得以充分均匀的混合。因此，优选在下止点(压缩上止点之前180度)之前执行后期燃料喷射，并且在启动后期燃料喷射之前相应地将空气-燃料混合气GmA移动至进气侧。另外，优选将翻转流TF设计成使得空气-燃料混合气GmA进行这样的运动。 
一旦完成后期燃料喷射，则活塞5经过进气下止点并朝压缩上止点移动。在此过程中，如图3F所示，通过前期燃料喷射在燃烧空间B内形成并从排气侧移动至进气侧的空气-燃料混合气GmA、以及通过后期燃料喷射在排气侧形成的空气-燃料混合气GmB在整个燃烧空间B的内部形 成均匀混合气Gm。在这种状态下，从火花塞7发出的火花SP点燃在燃烧空间B内形成的均匀的空气-燃料混合气Gm。在本实施方式中，因为能够使用上述方法加速燃料与空气的均匀混合，所以能够防止内燃发动机1中的扭矩波动以及燃烧恶化和燃料消耗的增加。此外，因为能够在前期燃料喷射和后期燃料喷射中分开喷射内燃发动机1的每个循环所需要的燃料，所以能够减小从直接喷射阀10喷射的燃料喷雾的穿透力。因而能够防止由于燃料喷雾附着至气缸内表面1Sw所引起的油(润滑油)的燃料稀释。 
注意，前期燃料喷射和后期燃料喷射的正时依据诸如在燃烧空间B内形成的翻转流TF的强度和方向、内燃发动机1的行程和缸径的尺寸、从直接喷射阀10喷射的燃料的方向、燃料压力、以及内燃发动机1的运转条件之类的因素而变化，而不局限于上述正时。前期燃料喷射和后期燃料喷射的正时是在考虑到例如上述因素的情况下确定的，并且产生映射并将其存储于图1所示的发动机ECU30的存储装置31中。然后，发动机ECU30的控制条件判定部51或喷射控制器52基于该映射从直接喷射阀10喷射燃料。 
图6是示出用于喷射燃料的正时与扭矩波动之间的关系的说明图。图6示出了当燃料喷射正时在如下条件下——即图1所示内燃发动机1的发动机转速(每单位时间的曲轴6的转动速度)为1200转/分钟(rpm)且燃料压力为0.57MPa——改变时所获得的扭矩波动的结果。图6的水平轴线表示前期燃料喷射的结束正时(前期喷射结束正时)，而图6的竖直轴线表示后期燃料喷射的启动正时(后期喷射启动正时)。结束正时和启动正时两者都是以压缩上止点之前的曲柄角(上止点前(BTDC))来示出的。 
图6中示出的实线L1表示前期喷射结束正时与后期喷射启动正时匹配。具体地，实线L1是示出用于使用图5B所示单次喷射方法喷射燃料的正时与扭矩波动之间的关系的线。图6中示出的T1至T9各自表示扭矩波动(Nm)。内燃发动机1的扭矩波动的程度越小，则存在于燃烧空间B中的空气-燃料混合气的均匀性越高。在图6中，扭矩波动的程度被表示为使得T1＞T2＞T3＞T4＞T5＞T6＞T7＞T8＞T9。由T1至T9表示的实线表示这些扭矩波动的程度相同。 
图6中示出的I1表示当在图5B所示的正时，即，燃料喷射在压缩上止点之前的大约315度处启动并在压缩上止点之前的大约300度处结束的正时，处通过单次喷射方法将燃料喷射至燃烧空间B中时所获得的结果。 该扭矩波动在T5附近。图6中示出的I2表示当在图5A所示的正时处通过本实施方式的燃料喷射控制将燃料喷射至燃烧空间B中时所获得的结果。如图6所示，在这种情况下的扭矩波动处于实线T9的区域内，这意味着该扭矩波动的程度小。如图6中的I3所示，尽管前期喷射结束正时与I2相同，但是后期喷射启动正时比I2更加靠近进气上止点。换言之，就前期喷射结束正时与后期喷射启动正时之间的时间间隔而言，I3比I2短。在这种情况下的扭矩波动为T3至T2。当假设前期喷射结束正时与I2和I3相同时，扭矩波动的程度随着后期喷射启动正时接近压缩上止点而减小并在I2的正时处变为最短。 
如上所述，I2是通过根据本实施方式的燃料喷射控制所获得的结果。具体地，在本实施方式的燃料喷射控制中，前期燃料喷射是在WIT的正时处执行的，而后期燃料喷射是在通过前期燃料喷射在燃烧空间B中所形成的空气-燃料混合气通过翻转流TF移动至进气侧之后当燃料在排气侧变得稀薄时被执行的。因而，能够加速燃料与空气的均匀混合，并且能够在燃烧空间B中在空间上均匀地改善燃料与空气的混合，从而能够防止内燃发动机1中的扭矩波动。 
图7是示出用于在单次喷射方法与用于根据本实施方式的燃料喷射控制的多次喷射方法之间进行切换的条件的说明图。图7的水平轴线表示图1中示出的内燃发动机1的发动机转速NE，而竖直轴线表示图1中示出的内燃发动机1的负荷率KL。负荷率KL是当内燃发动机1上的总负荷为100％时的负荷的比率。在本实施方式中，至少当内燃发动机1的发动机转速等于或低于预定的发动机转速，并且当内燃发动机1的负荷率至少为预定的负荷率时，在前期燃料喷射和后期燃料喷射中将燃料喷射至燃烧空间B中。 
所述预定的发动机转速是在由燃烧波动所引起的内燃发动机1的扭矩波动处于允许范围内时获得的发动机转速。在本实施方式中，当内燃发动机1的扭矩波动处于允许范围内时获得的发动机转速处于中等转速(在本实施方式中为2800rpm)。另一方面，所述预定的负荷率是内燃发动机上的负荷至少为中等负荷时的负荷率，在本实施方式中为例如至少40％。 
从直接喷射阀10喷射的燃料量随着内燃发动机1的负荷增加而增加。因此，在单次喷射方法的情况下，燃料和空气不能容易地混合在一起。因而，燃烧可能降级而内燃发动机1的扭矩波动可能变大。因为在本实施方 式中，通过至少在内燃发动机1以中等负荷或者更大负荷运转时通过前期燃料喷射和后期燃料喷射将燃料喷射至燃烧空间B中，所以能够防止内燃发动机1的扭矩波动。因为在内燃发动机1的发动机转速处于低速时采用单次喷射方法，所以由燃烧波动引起的内燃发动机1的扭矩波动变大。但是，因为随内燃发动机1的发动机转速增加实施了前期燃料喷射和后期燃料喷射，所以扭矩波动减小。 
在本实施方式中，内燃发动机1的通过前期燃料喷射和后期燃料喷射将燃料喷射至燃烧空间B中的运转条件示于图7的范围(4)中。具体地，图7的范围(4)是在内燃发动机1的发动机转速等于或低于预定的发动机转速且内燃发动机1的负荷率至少为预定的负荷率的情况下的范围。当内燃发动机1至少在此范围内运转时，通过前期燃料喷射和后期燃料喷射将燃料喷射至燃烧空间B中。 
因此，能够加速燃料与空气的均匀混合，并且能够在空间上均匀地改善燃料与空气的混合，从而能够防止由燃烧波动引起的内燃发动机1的扭矩波动以及燃烧的恶化。此外，因为在扭矩波动允许区域(图7中的区域(1)至(3)以及(5))中使用单次喷射方法将燃料喷射至燃烧空间B中，所以能够防止通过执行前期燃料喷射和后期燃料喷射所引起的直接喷射阀10的驱动能的增加。直接喷射阀10的驱动能使用内燃发动机1产生的动力，因此能够通过在根据内燃发动机1的运转条件的单次喷射方法与由前期燃料喷射和后期燃料喷射构成的燃料喷射方法之间进行切换来抑制内燃发动机1的燃料消耗。 
注意，在由前期燃料喷射和后期燃料喷射构成的燃料喷射方法中，在前期燃料喷射和后期燃料喷射中喷射的燃料量至少需要为从直接喷射阀10喷射的最小燃料量。因此，即使当内燃发动机1上的负荷小于中等负荷时，只要通过前期燃料喷射和后期燃料喷射所喷射的燃料量至少为从直接喷射阀10喷射的最小燃料量，就可通过前期燃料喷射和后期燃料喷射将燃料喷射至燃烧空间B中。 
图1中示出的发动机ECU30使用处理器50的控制条件判定部51以基于内燃发动机1的运转条件来判定是使用单次喷射方法还是使用由前期燃料喷射和后期燃料喷射构成的燃料喷射方法来喷射燃料。处理器50的燃料控制器52基于判断结果来驱动直接喷射阀10并通过单次喷射方法或由前期燃料喷射和后期燃料喷射构成的燃料喷射方法来将燃料喷射至燃烧 空间B中。 
图8A是根据本实施方式的燃料喷射控制的比较示例的示意图。图8B是用于对在根据本实施方式的燃料喷射控制中执行的前期燃料喷射的适当正时进行说明的示意图。前期燃料喷射是在进气行程期间并且在比介于活塞5的进气上止点与活塞5的进气下止点之间的中点更加靠近进气上止点处被执行的。此刻，执行前期燃料喷射使得燃烧空间B内的翻转流TF不被阻断。 
如图8A所示，当从直接喷射阀10所喷射的燃料喷雾FmA在到达气缸内表面1Sw之前到达活塞顶面5T时，燃料喷雾FmA朝气缸盖1H卷起，从而面向翻转流TF(图8A中由字母E示出的部分中的箭头J1)。相应地，削弱了燃烧空间B内的翻转流TF。因此，翻转流TF的用于使通过前期燃料喷射形成的且偏心地位于排气侧的燃料和空气的混合气移动至进气侧的作用变弱，因而，燃料与空气可能未被充分均匀地混合。 
在本实施方式中，如图8B所示，在前期燃料喷射中，燃料是在从直接喷射阀10所喷射的燃料喷雾FmA在到达活塞顶面5T之前到达气缸内表面1Sw的正时处从直接喷射阀10喷射的。以此方式，使燃料喷雾FmA跟随翻转流TF。因为燃料喷雾FmA与翻转流TF同步行进(图8B中由字母E示出的部分中的箭头J2)，所以燃料喷雾FmA和翻转流TF在不减弱翻转流TF的情况下彼此增强，这导致增强了将在前期燃料喷射中形成并偏心地位于排气侧的空气-燃料混合气移动至进气侧的作用。因而，改善了空气-燃料混合气的均匀性。因此，防止了空气-燃料混合气的燃烧的恶化。 
为了在燃料喷雾FmA在到达活塞顶面5T之前到达气缸内表面1Sw的正时处从直接喷射阀10喷射燃料，优选在燃料喷雾FmA的轴线Zf和活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分相重叠的正时处开始从直接喷射阀10喷射燃料。具体地，优选在设置于直接喷射阀10中的燃料喷射孔的轴线Zi(燃料喷雾FmA的轴线Zf)与活塞顶面5T及气缸内表面1Sw相交的正时处从直接喷射阀10喷射燃料。 
图9A和图9B是说明图，各自示出了用于在根据本实施方式的燃料喷射控制中在前期燃料喷射和后期燃料喷射中多次喷射燃料的方法。在本实施方式中，因为燃料是从直接喷射阀10朝向气缸内表面1Sw喷射的，所 以燃料倾向于附着至气缸内表面1Sw(图9A中由字母C包围的部分)并倾向于与曲轴箱1C内的润滑油混合(见图1)，引起燃料稀释。 
为了防止这种燃料稀释，在至少前期燃料喷射或者后期燃料喷射中额外多次喷射燃料。图9A示出了在前期燃料喷射中多次喷射燃料的状态，其中，燃料喷雾FmA1、FmA2、以及FmA3被喷射至燃烧空间B中。如图9B所示，在前期燃料喷射中，整个喷射时长Δt1被划分成多段，且各自的时间间隔为Δti1。另外，在后期燃料喷射中，整个喷射时长Δt2被划分成多段，且各自的时间间隔为Δti2。前期燃料喷射结束正时与后期燃料喷射启动正时之间的时间间隔由ti表示。 
以此方式，通过在至少前期燃料喷射或者后期燃料喷射中额外多次喷射燃料能够减小各燃料喷雾的穿透力。因而，能够减少到达并附着至气缸内表面1Sw的燃料量并能够防止燃料稀释。另外，因为前期燃料喷射和后期燃料喷射是在上述正时处执行的，所以能够加速燃料与空气的均匀混合并能够在空间上均匀地改善燃料与空气的混合，因此能够防止燃料劣化。当在至少前期燃料喷射或者后期燃料喷射中额外多次喷射燃料时，具有作为致动器的压电元件(例如，压电元件)的燃料喷射阀或者具有高响应性的其它阀优选用作为直接喷射阀10。因此，能够在至少前期燃料喷射或者后期燃料喷射中安全地多次喷射燃料。 
(改型)图10A至图10F是说明图，各自示出了如何将燃料喷射至根据本实施方式的改型的内燃发动机的燃烧空间中。图11是从气缸盖侧所见的根据本实施方式的改型的内燃发动机的示意图。根据本实施方式的内燃发动机1a具有与上述内燃发动机1(见图1)大致相同的构造，只是直接喷射阀10a设置在气缸盖1H的中央部分。内燃发动机1a的其余构造及其燃料喷射控制都与以上实施方式中所描述的构造和燃料喷射控制相同。 
如图10A和图11所示，在内燃发动机1a中，直接喷射阀10a和火花塞7设置在气缸盖1H的中央部分中。如图11所示，气缸盖1H的中央部分是由进气口3io、3io和排气口3eo、3eo所环绕的部分。更具体地，气缸盖1H的中央部分是绕气缸1S的中心轴线Zc以半径r形成的圆的内侧。更具体地，半径r是气缸的中心轴线Zc与进气口3io的外周之间的距离、或者气缸的中心轴线Zc与排气口3eo的外周之间的距离中的较大者。 
如图10A所示，直接喷射阀10a构造成使得燃料喷雾FmA被引导成 朝向位于排气侧(排气口3eo侧)的气缸内表面1Sw。具体地，从直接喷射阀10a所喷射的燃料喷雾FmA相对于气缸1S的中心轴线Zc朝排气侧倾斜预定的角度α。所述预定的角度α设定成如下角度：即，在该角度，燃料喷雾FmA的轴线Zf与气缸内表面1Sw在活塞顶面5T位于进气上止点与介于进气上止点与进气下止点之间的中点之间的状态下相交。因此，在比介于活塞5的进气上止点与活塞5的进气下止点之间的中点更靠近进气上止点的点处将燃料从直接喷射阀10a喷射至燃烧空间B中，因此燃料喷雾FmA被引导至活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分(图10A中由字母C包围的部分)。 
图10A中示出的前期燃料喷射是在进气行程期间并在比介于活塞5的进气上止点与活塞5的进气下止点之间的中点更靠近进气上止点处执行的。在前期燃料喷射中，从直接喷射阀10喷射燃料使得燃料喷雾FmA被引导成朝向位于排气侧的活塞顶面5T与气缸内表面1Sw相交的部分。 
通过执行该前期燃料喷射，燃料偏心地位于排气侧。因而，如图10B所示，空气-燃料混合气GmA偏心地位于排气侧。如上所述，前期燃料喷射的该正时被称为“WIT”。在单次喷射方法中，燃料与空气在该正时处混合极差并因此得到空气-燃料混合气的最差均匀性。因此，在现有技术中不在WIT处喷射燃料。 
当活塞5朝进气下止点移动时，进气门4i的开度增大，因此从进气孔3i经过进气口3io流入到燃烧空间B中的空气量增加。如图10C所示，从进气口3io流入到燃烧空间B中的空气形成翻转流TF。该翻转流TF(常态翻转流)使偏心地位于排气侧的空气-燃料混合气GmA朝进气侧移动。因而，空气-燃料混合气GmA在燃烧空间B内偏心地位于进气侧，这使得排气侧(图10C中由字母D示出的部分)变为具有较少燃料或者不具有燃料的区域。 
图10D中示出的后期燃料喷射是在内燃发动机1a的进气行程期间并在前期燃料喷射之后执行的。在后期燃料喷射期间，直接喷射阀10a朝着具有较少燃料或者不具有燃料的排气侧区域喷射燃料。通过执行该后期燃料喷射，燃料偏心地位于排气侧。因而，如图10E所示，燃料与空气的混合气GmB偏心地位于燃烧空间B的排气侧，而在前期燃料喷射期间所喷射的空气-燃料混合气GmA偏心地位于进气侧。 
一旦完成后期燃料喷射，则活塞5经过进气下止点并朝压缩上止点移动。在此过程中，如图10F所示，通过前期燃料喷射在燃烧空间B内形成并从排气侧移动至进气侧的空气-燃料混合气GmA、以及通过后期燃料喷射在排气侧形成的空气-燃料混合气GmB在整个燃烧空间B的内部形成均匀混合气Gm。在这种状态下，从火花塞7发出的火花SP点燃在燃烧空间B内形成的均匀的空气-燃料混合气Gm。如上所述，因为能够通过前期燃料喷射和后期燃料喷射来加速燃料与空气的均匀混合，所以能够防止内燃发动机1中的扭矩波动以及燃烧恶化和燃料消耗的增加。 
如上所述，在所述实施方式及其改型中，在比介于活塞的进气上止点与活塞的进气下止点之间的中点更靠近进气上止点的点处，执行前期燃料喷射以朝着活塞顶面与气缸内表面相交的部分喷射燃料。然后，在通过前期燃料喷射在排气侧形成的空气-燃料混合气被翻转流移动至进气侧之后，在比前期燃料喷射的点更靠近进气下止点的点处执行后期燃料喷射以将燃料喷射至燃烧空间中。因而，能够加速燃料与空气的均匀混合，并且在空间上均匀地改善了燃料与空气的混合，籍此能够在整个燃烧空间中形成均匀的空气-燃料混合气。因此，能够防止燃烧的恶化。 
在所述实施方式及其改型中，由于上述构造，能够在无需同时使用用于向进气孔喷射燃料的进气口喷射阀的情况下，仅使用直接喷射阀就能够形成均匀的空气-燃料混合气。因此，能够降低内燃发动机的生产成本。另外，尽管存在使用翻转流控制阀、涡流控制阀、或者其它空气流控制装置以增大流入到燃烧室中的空气的速度从而加速燃料与空气的混合的方法，但是这种方法的问题在于整体负荷性能降低、成本增加、或者气流减小。但是，在本实施方式中，由于上述构造，能够在不使用空气流控制装置的情况下仅使用直接喷射阀就能够形成均匀的空气-燃料混合气。 
尽管所述实施方式及其改型对朝着在燃烧空间中形成有常态翻转流的内燃发动机的排气侧喷射燃料的情况进行了描述，但是，像在常态翻转流的情况那样，所述实施方式及其改型能够类似地应用于朝着在内燃发动机的燃烧空间中形成有反向翻转流的内燃发动机的进气侧喷射燃料的情况。 
如上所述，根据本发明的内燃发动机能够用于具有将燃料直接喷射至燃烧空间中的燃料喷射装置的内燃发动机，并且尤其适用于仅通过使用燃料喷射装置来加速燃料与空气的均匀混合。 
尽管已参考本发明的示例性实施方式对本发明进行了描述，但是可以理解，本发明并不局限于所述实施方式或构造。相反，本发明倾向于覆盖各种改型和等同方案。另外，尽管所公开的发明的各种元件示出为各种示例性的组合及构造，但是包括更多元件、更少元件或者仅包括单个元件的其它组合及构造同样属于所附权利要求的范围内。 

Claims (14)

1.一种内燃发动机(1)，在所述内燃发动机(1)中，从开口于设置在气缸(1S)的一个端部处的气缸盖(1H)上的进气口(3io)引导至开口于所述气缸盖上的排气口(3eo)的翻转流形成在气缸盖侧，活塞(5)在所述气缸(1S)中往复运动，所述内燃发动机包括：
燃烧空间(B)，所述燃烧空间(B)由所述气缸、所述气缸盖、以及在所述气缸内往复运动的所述活塞包围；以及
燃料喷射装置(10)，所述燃料喷射装置(10)在比介于进气上止点与进气下止点之间的中点更靠近所述进气上止点的点处执行用于朝着所述气缸的位于所述活塞的顶面与所述气缸盖之间的内表面喷射燃料的前期燃料喷射以使所述燃烧空间中由所述前期燃料喷射形成的混合气偏心地位于排气侧，并在比所述前期燃料喷射的点更靠近所述进气下止点的点处执行用于将燃料喷射至所述燃烧空间中的后期燃料喷射。
2.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，在所述前期燃料喷射期间，所述燃料喷射装置朝着所述活塞的顶面与所述气缸的内表面相交的部分喷射燃料。
3.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置在通过所述前期燃料喷射而形成于所述燃烧空间中的空气-燃料混合气被通过从所述进气口引入至所述燃烧空间中的流体产生的翻转流移动至进气口侧之后执行所述后期燃料喷射。
4.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置在所述前期燃料喷射期间喷射燃料，以允许由所述燃料喷射装置喷射的燃料喷雾跟随从所述进气口流入所述燃烧空间中的流体的翻转流。
5.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置喷射燃料使得由所述燃料喷射装置喷射的燃料喷雾在到达所述活塞的顶面之前首先到达所述气缸的内表面。
6.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，当由所述燃料喷射装置喷射的燃料喷雾的轴线和所述活塞的顶面与所述气缸的内表面相交的部分重叠时，所述燃料喷射装置喷射燃料。
7.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，当所述内燃发动机的发动机转速为预定的发动机转速或更低并且所述内燃发动机的负荷率至少为预定的负荷率时，所述燃料喷射装置通过所述前期燃料喷射和所述后期燃料喷射将燃料喷射至所述燃烧空间中。
8.如权利要求7所述的内燃发动机，其中，当所述预定的发动机转速等于或低于所述内燃发动机的扭矩波动处于允许范围内时的发动机转速时，所述燃料喷射装置通过所述前期燃料喷射和所述后期燃料喷射将燃料喷射至所述燃烧空间中。
9.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，当喷射至所述内燃发动机中的燃料量至少为通过所述燃料喷射装置喷射的最小燃料量时，所述燃料喷射装置通过所述前期燃料喷射和所述后期燃料喷射将燃料喷射至所述燃烧空间中。
10.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置在至少所述前期燃料喷射或所述后期燃料喷射期间多次喷射燃料。
11.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置在所述前期燃料喷射中喷射的燃料量大于在所述后期燃料喷射中喷射的燃料量。
12.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置设置在进气口侧。
13.如权利要求1或2所述的内燃发动机，其中，所述燃料喷射装置设置在所述气缸盖的中央部分。
14.一种用于内燃发动机(1)的燃料喷射控制方法，在所述内燃发动机(1)中，从开口于设置在气缸的一个端部处的气缸盖(1H)上的进气口(3io)引导至开口于所述气缸盖上的排气口(3eo)的翻转流形成在气缸盖侧，活塞(5)在所述气缸中往复运动，所述燃料喷射控制方法包括如下步骤：
在比介于进气上止点与进气下止点之间的中点更靠近所述进气上止点的点处执行用于朝着所述气缸的位于所述活塞的顶面与所述气缸盖之间的内表面喷射燃料的前期燃料喷射，以使由所述气缸、所述气缸盖以及在所述气缸内往复运动的所述活塞包围的燃烧空间中由所述前期燃料喷射形成的混合气偏心地位于排气侧；以及
在比所述前期燃料喷射的点更靠近所述进气下止点的点处执行用于将燃料喷射至所述燃烧空间中的后期燃料喷射。
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