CN101939525B - 内燃机的燃料喷射控制装置 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，通过发动机所需的转矩来计算总燃料喷射量。计算预喷射量的分割率，该预喷射量的分割率实现了对主喷射所喷射出的燃料的点火延迟的抑制以及对主喷射的燃烧的发热率的峰值的抑制。对所获得的分割量给出上、下限保护，并且计算分割喷射量。通过从总燃料喷射量中减去分割喷射量来获得主喷射的喷射量。
Description
技术领域
本发明涉及一种以柴油发动机为代表的内燃机的燃料喷射控制装置。更特别地，本发明涉及在通过分割有助于内燃机的转矩产生的燃料的喷射量来执行喷射时的分割技术的改进。
背景技术
众所周知，在用作汽车发动机等的柴油发动机中，执行根据诸如发动机转数、加速器操作量、冷却液温度以及进气温度的运转状态来调节燃料喷射阀(下文中也被称为喷射器)的燃料喷射正时和燃料喷射量的燃料喷射控制(见下文的专利引文1和2)。
顺带提及，柴油发动机燃烧包括预混燃烧和扩散燃烧。当来自燃料喷射阀的燃料喷射开始时，首先通过燃料的汽化和扩散(点火延迟期间)来生成可燃混合气。接下来，该可燃混合气在燃烧室中的多处在大约同一时刻自燃，并且燃烧迅速进行(预混燃烧)。此外，向燃烧室内的燃料喷射继续，使得燃烧连续地进行(扩散燃烧)。之后，甚至在燃料喷射已经结束之后未燃燃料仍然存在，因此在一时间段内继续生热(后燃期间)。
而且，在柴油发动机中，随着点火延迟期间变长，或者随着燃料在点火延迟期间的汽化变得更强烈，在点火之后的火焰传播速度将增大。当该火焰传播速度大时，立即燃烧的燃料的量变得过大，气缸内的压力急剧增大，因此产生了振动或噪声。这种现象被称为柴油机爆震，并且通常特别是在低负荷运转时发生。而且，在这种状况下，燃烧温度急剧上升，伴随的是生成的氮氧化物(下文中被称为“NOX”)的量的增大，因此废气排放变得恶化。
因此，为了防止这种柴油机爆震并且降低NOX的生成量，已经开发了各种燃料喷射控制装置。例如，来自燃料喷射阀的燃料喷射通常通过将所述喷射分割为多次来间歇地执行。
而且，专利引文1公开了执行用于在气缸中形成预混气体的引燃喷射以及用于形成点火和燃烧主喷射所喷射出的燃料的点火源的引燃喷射，作为在主喷射之前执行燃料喷射的引燃喷射。
此外，专利引文2公开了通过将主喷射分割为多次来执行主喷射，并且当内燃机在高负荷下时，使后一阶段的喷射开始正时延迟，使得主喷射的燃烧中断，从而抑制了烟尘的产生。
专利引文1：JP 2001-254645A
专利引文2：JP 2002-155791A
发明内容
技术问题
顺带提及，利用柴油发动机中的常规燃料喷射控制，从确保燃烧噪声降低、NOx生成量减少以及高发动机转矩的观点来分别设定各种控制参数(例如燃料喷射量和燃料喷射正时)，并且在实践中，通过反复试验，使设定适于各种类型的发动机(构造适于各种类型的发动机的燃料喷射模式)。
因此，例如，当以燃烧噪声降低和NOx生成量减少为优先来执行燃料喷射控制时，存在如下可能性：燃烧效率将恶化因此将无法获得足够的发动机转矩，因此相反地，当以确保高发动机转矩为优先来执行燃料喷射控制时，存在如下可能性：这将导致燃烧噪声增大和NOx生成量增大。为了既降低燃烧噪声和NOx生成量又确保高转矩，通常，如上所述，因为燃料喷射模式是通过反复试验来确定的，所以还未构建各种发动机共用的系统燃料喷射控制技术，因此还存在为了实现燃料喷射控制的最优化而改进的一些余地。
更具体地，柴油发动机的燃料点火延迟包括物理延迟和化学延迟二者。物理延迟是燃料液滴的汽化和混合所需的时间，并且受燃烧位置处的气体温度的影响。另一方面，化学延迟是燃料蒸汽的化学键接/分解以及氧化/发热所需的时间。由于燃料喷射阀的特性，来自燃料喷射阀的燃料喷射局部地集中，因此点火延迟与燃料喷射量的增加成比例地增加。
当喷射延迟变大时，如上所述，同时燃烧的燃料的量增加，并且由于燃烧室中压力和温度的急剧上升，燃烧噪声增大，并且NOx的生成量也增大。而且，在这种状况下，燃料点火正时是不稳定的，因此变得难以使点火正时与目标点火正时一致。
为了避免这种状况，使用燃料多级分割喷射的技术。该多级分割喷射的示范性参数包括喷射次数、总燃料喷射量、喷射正时以及多次喷射之间的间隔。
在常规燃料喷射控制中，还未构建统一这些参数的物理定律，因此仅基于废气排放、发动机转矩等的变化来确定燃料喷射参数。换句话说，在常规燃料喷射控制中，因为存在许多适应参数因子，并且因此存在这些因子的多种不同组合，所以通过反复试验来确定燃料喷射模式，而无法实现适应处理的统一化。
而且应当注意到的是，在上述每一篇专利引文的技术思想中，不考虑各种发动机所共用的燃料喷射控制技术的系统化；仅执行简单的燃料喷射次数分割和喷射量调节。
本发明的目的在于为能够执行燃料的分割喷射的内燃机提供已经被系统化的燃料喷射控制技术。
技术方案
本发明提供了一种压缩自燃式内燃机的燃料喷射控制装置，所述内燃机能够利用燃料喷射阀通过在主喷射和在所述主喷射之前执行的副喷射之间分割为了有助于所述内燃机的转矩产生而喷射出的燃料量来执行喷射，所述燃料喷射控制装置包括：总燃料喷射量计算部，其基于所述内燃机所需的转矩来计算有助于转矩产生的总燃料喷射量；分割喷射量计算部，其获得在防止所述主喷射的初始喷射中的发热量(由喷射的燃料吸收的热量(负热量)和由燃料的燃烧产生的热量(正热量)的平衡)降低到阈值以下并且抑制伴随着在所述主喷射中喷射出的燃料的燃烧而产生的发热率的峰值小于预定值而执行所述副喷射时的喷射量，作为从所述总燃料喷射量分割出的分割喷射量；上/下限限制部，其对利用所述分割喷射量计算部获得的所述分割喷射量以预定的上限值和下限值给出限制；以及副喷射正时设定部，其设定在执行通过利用所述上/下限限制部给出限制而获得的所述分割喷射量的所述副喷射时的喷射正时。
此处，使得在主喷射的初始喷射期间(例如，从主喷射的喷射开始起的预定期间：例如，曲轴转角为5度CA)的发热量(热平衡)不会降低到阈值以下而执行副喷射时的喷射量为这样的喷射量：使得在初始期间，由在主喷射中喷射出的燃料的吸热反应所吸收的热量与通过所述燃料的点火和燃烧 所产生的热量之间的热平衡中，所产生的热量大于所吸收的热量。而且，抑制伴随着在主喷射中喷射出的燃料的燃烧的发热的发热率的峰值小于预定值而执行副喷射时的喷射量为这样的喷射量：由此，可以充分地降低在主喷射中喷射出的燃料燃烧时的燃烧噪声和NOx生成量。
利用这种特定构造，获得了分割喷射量，作为在副喷射中从燃料喷射阀喷射出的喷射量，使得在主喷射的初始喷射期间的发热量不会降低到小于阈值，并且使得伴随着在主喷射中已经喷射出的燃料的燃烧的发热率的峰值被抑制到小于阈值，并且通过在主喷射之前执行所述副喷射，甚至在充分地确保内燃机的转矩的同时也可以实现燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少。
下文能够作为通过分割喷射量计算部来计算分割喷射量的操作的具体示例而被引用。也就是说，所述分割喷射量计算部获得发热量确保喷射量，所述发热量确保喷射量是为了防止在主喷射的初始喷射期间所述发热量降低到阈值以下而执行所述副喷射时的必要喷射量，并且所述分割喷射量计算部获得峰值抑制分割率，所述峰值抑制分割率是分割喷射量相对于为了抑制伴随着在主喷射中喷射出的燃料的燃烧的发热量的峰值小于阈值所需的总燃料喷射量的分割率，并且当所述发热量确保喷射量大于通过将所述峰值抑制分割率乘以所述总燃料喷射量而获得的峰值抑制喷射量时，将所述发热量确保喷射量设定为所述分割喷射量，并且当所述峰值抑制喷射量大于所述发热量确保喷射量时，将所述峰值抑制喷射量设定为所述分割喷射量。
在这种情况下，例如，峰值抑制分割率被设定为大约10％。
为了抑制在主喷射的初始喷射中的吸热反应(点火延迟的原因)，使得此时的发热量大于吸热量，需要减少在主喷射中喷射出的燃料的吸热反应中所吸收的热量。也就是说，因为在执行主喷射期间活塞中的热能的大小影响点火延迟的发生，所以为了抑制点火延迟，需要规定副喷射中的燃料喷射量(发热量确保喷射量)。
另一方面，为了抑制伴随着在主喷射中喷射出的燃料的燃烧的发热量的峰值，存在相对于总燃料喷射量在副喷射中喷射出多少燃料的问题。也就是说，因为发热率的峰值受副喷射与总燃料喷射量的比率(峰值抑制分割率)的大小的影响，所以为了抑制的发热率的峰值，需要规定峰值抑制分割率。
因此，将发热量确保喷射量与通过峰值抑制分割率获得的峰值抑制喷射量相比较，并且将这些燃料喷射量中较大的燃料喷射量设定为分割喷射量。 因此，可以获得用于副喷射的分割喷射量，由此，可以实现对主喷射的初始喷射中的吸热反应的抑制，而且可以实现对伴随着在主喷射中喷射出的燃料的燃烧的发热率的峰值的抑制。
具体地，下文能够作为由上/下限限定部设定的分割喷射量的上限值和下限值而被引用。首先，将分割喷射量的下限值设定为燃料喷射阀的最小极限喷射量。而且，将分割喷射量的上限值设定为使在执行副喷射时的燃料的点火延迟最小化或者使发动机效率的恶化最小化的喷射量。
这样，通过对分割喷射量给出限制，同时还获得由于副喷射而产生的效果(实现了燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少)，可以避免导致副喷射本身的点火延迟或燃烧噪声增大。此外，利用副喷射，在活塞到达压缩上止点(BTDC)之前执行燃烧是效率低的，因此使发动机效率的恶化最小化的喷射量为这样的喷射量：其已经被限定为使得当在该正时执行副喷射时，在活塞到达压缩上止点之前不会产生转矩(反向转矩)。
而且，作为副喷射正时设定部的特定构造，当分割喷射量为燃料喷射阀的最小极限喷射量的至少两倍时，副喷射正时设定部利用多级喷射来执行所述副喷射。
因此，防止了在执行副喷射时临时喷射较大的燃料量，并且因此可以避免副喷射本身的点火延迟以及燃烧噪声的增大。
而且，下文可以作为用于校正上述分割喷射量的构造而被引用。也就是说，设置增量校正部，当在主喷射中喷射出的燃料的目标点火正时被设定为比活塞已经到达压缩上止点的位置滞后的角度时，增量校正部执行增加在所述副喷射中喷射出的分割喷射量的校正。
这是因为在主喷射中喷射出的燃料点火的正时，活塞已经开始朝下止点下降，并且与伴随着燃烧室体积的膨胀而产生的温度降低相对应的热能被供给在副喷射中喷射出的燃料。因此，即使是目标点火正时处于比活塞到达压缩上止点的位置滞后的角度(ATDC)时，也可以产生高的发动机转矩。
有益效果
在本发明中，对于压缩自燃式内燃机，获得了分割喷射量作为在副喷射中从燃料喷射阀喷射出的燃料量，使得在主喷射的初始喷射期间的发热量不会降低到阈值以下，并且从而能够抑制伴随着已经在主喷射中喷射出的燃料的燃烧的发热的发热率的峰值。因此，可以实现燃烧噪声的降低和NOx生成 量的减少，同时充分地确保了内燃机的转矩，并且通过构建这种控制规则，可以使燃料喷射中的参数固定，并且因此可以实现唯一地确定喷射模式的整体控制。
附图说明
图1为根据一个实施例的发动机以及该发动机的控制系统的示意性结构图。
图2为示出了柴油发动机的燃烧室和该燃烧室附近的部件的截面图。
图3为示出了ECU等的控制系统的构造的方框图。
图4示出了总燃料喷射量与喷雾温度分布之间的关系。
图5示出了预喷射和主喷射的控制处理。
图6示出了预喷射的喷射正时、发动机负荷和分割喷射量上限值之间的关系。
图7示出了发热率独立的多级喷射形式中的发热率的变化。
图8示出了发热率从属的多级喷射形式中的发热率的变化。
图9示出了在已经利用根据实施例的控制处理来执行预喷射和主喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧的发热率的变化，以及在不执行预喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧的发热率的变化。
图10示出了在已经利用根据实施例的控制处理来执行预喷射和主喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧的发热率的变化，以及在不执行预喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧的发热率的变化。
附图标记
1发动机(电源)
1发动机(内燃机)
13活塞
23喷射器(燃料喷射阀)
具体实施方式
下面基于附图对本发明的实施例进行描述。在本实施例中，将对本发明被应用于安装在汽车中的共轨式缸内直接喷射型多气缸(例如，直列四气缸)柴油发动机(压缩自燃式内燃机)的情况进行描述。
-发动机构造-
首先，将对根据本实施例的柴油发动机(下文中被简称为发动机)的整体构造进行描述。图1为根据本实施例的发动机1以及发动机1的控制系统的示意性构造图。图2为示出了柴油发动机的燃烧室3和燃烧室3附近的部件的截面图。
如图1所示，根据本实施例的发动机1为利用燃料供给系统2、燃烧室3、进气系统6、排气系统7等作为其主要部分而构造成的柴油发动机系统。
燃料供给系统2设置有供给泵21、共轨22、喷射器(燃料喷射阀)23、截流阀24、燃料添加阀26、发动机燃料通路27、添加燃料通路28等。
供给泵21从燃料罐中吸取燃料，并且在使吸取出的燃料处于高压下之后，经由发动机燃料通路27将所述燃料供给到共轨22。共轨22具有作为将从供给泵21供给的高压燃料保持(储压)在预定压力下的储压室的功能，并且该经储压的燃料被分配给各个喷射器23。喷射器23由内部设置有压电元件(压电式元件(piezo element))的压电喷射器构造而成，并且通过适当地打开阀将燃料喷射到燃烧室中来供给燃料。喷射器23的燃料喷射控制的细节将在稍后进行描述。
而且，供给泵21经由添加燃料通路28将从燃料罐吸取的一部分燃料供给到燃料添加阀26。在添加燃料通路28中，设置上述截流阀24，以便在紧急时通过截断添加燃料通路28来停止燃料添加。
燃料添加阀26由电子控制式开/关阀构造而成，该电子控制式开/关阀利用稍后进行描述的ECU 100的添加控制操作来控制其开阀正时，使得添加到排气系统7的燃料量变为目标添加量(使得排气A/F变为目标A/F的添加量)，或者使得燃料添加正时变为预定正时。也就是说，来自燃料添加阀26的期望燃料量在适当的正时通过喷射被供给到排气系统7(从排气口71被供给到排气歧管72)。
进气系统6设置有进气歧管63，进气歧管63连接到形成在气缸盖15中的进气口15a上(参见图2)，并且包括进气通路的进气管64被连接到进气歧管63上。而且，在所述进气通路中，从上游侧按顺序布置有空气滤清器 65、空气流量计43和节流阀62。空气流量计43根据经由空气滤清器65流入进气通路中的空气量来输出电信号。
排气系统7设置有排气歧管72，排气歧管72连接到形成在气缸盖15中的排气口71上(参见图2)，并且包括排气通路的排气管73和74被连接到排气歧管72上。而且，在所述排气通路中，布置有歧管式催化转化器(排气净化装置)77，歧管式催化转化器77设置有稍后进行描述的NOx存储催化剂(NSR催化剂：NOx存储还原催化剂)75以及DPNR催化剂(柴油机微粒-NOX还原催化剂)76。下面对NSR催化剂75和DPNR催化剂76进行描述。
NSR催化剂75是存储还原型NOX催化剂，并且利用氧化铝(Al2O3)作为载体构造而成，例如，在该载体上承载有诸如钾(K)、钠(Na)、锂(Li)或铯(Cs)的碱金属，诸如钡(Ba)或钙(Ca)的碱土金属元素，诸如镧(La)或钇(Y)的稀土元素，以及诸如铂(Pt)的贵金属。
NSR催化剂75在排气中存在大量氧的状态下存储NOx，并且在排气中的氧浓度低且存在大量的还原成分(例如，燃料的未燃成分(HC))的状态下将NOX还原为NO2或NO并且释放得到的NO2或NO。已经作为NO2或NO被释放的NOx由于与排气中的HC或CO的快速反应而被进一步还原并且变为N2。而且，通过还原NO2或NO，HC和CO本身被氧化从而变为H2O和CO2。换句话说，通过适当地调节引入NSR催化剂75的排气中的氧浓度或HC成分，可以净化排气中的HC、CO和NOx。在本实施例的构造中，可以利用从上述燃料添加阀26添加燃料的操作来进行对排气中的氧浓度或HC成分的调节。
另一方面，在DPNR催化剂76中，NOx存储还原催化剂被承载在多孔陶瓷结构上，例如，排气中的PM在穿过多孔壁时被捕获。当排气的空燃比稀时，排气中的NOx被存储在NOx存储还原催化剂中，而当空燃比浓时，所存储的NOx被还原和释放。此外，使捕获到的PM氧化/燃烧的催化剂(例如，其主要成分是诸如铂的贵金属的氧化催化剂)被承载在DPNR催化剂76上。
此处，将结合图2对柴油发动机的燃烧室3以及燃烧室3附近的部件进行描述。如图2所示，在构成发动机的主体的一部分的气缸体11中，在每个 气缸(四个气缸中的每一个)中形成有筒形缸膛12，并且活塞13被容纳在每个缸膛12中，使得活塞13能够沿垂直方向滑动。
上述燃烧室3形成在活塞13的顶面13a的顶侧。更具体地，燃烧室3由通过密封垫14安装在气缸体11的顶部处的气缸盖15的底面、缸膛12的内壁面以及活塞13的顶面13a区划而成。腔室13b凹入地设置在活塞13的顶面13a的大约中央处，并且该腔室13b还构成了燃烧室3的一部分。
连杆18的小端部18a通过活塞销13c联结到活塞13上，并且连杆18的大端部联结到作为发动机输出轴的曲轴上。因此，活塞13在缸膛12内的往复运动经由连杆18被传递至曲轴，并且由于该曲轴的转动，获得了发动机输出。而且，电热塞19面向燃烧室3布置。电热塞19紧接在发动机1起动之前由于电流的流动而发热，并且用作起动辅助装置，由此，由于一部分燃料喷雾被吹到电热塞上而促进了点火和燃烧。
在气缸盖15中，分别形成有将空气引入燃烧室3中的进气口15a和将排气从燃烧室3中排出的排气口71，并且布置有开/闭进气口15a的进气阀16和开/闭排气口71的排气阀17。进气阀16和排气阀17在气缸中心线P的两侧面向彼此布置。也就是说，所述发动机被构造为横流式发动机。而且，将燃料直接喷射到燃烧室3中的喷射器23被安装在气缸盖15中。喷射器23沿气缸中心线P以直立定向布置在燃烧室3上方的大约中央处，并且在预定正时朝向燃烧室3喷射从共轨22引入的燃料。
此外，如图1所示，涡轮增压器5设置在发动机1中，该涡轮增压器5设置有经由涡轮轴5A联结的涡轮5B和压缩机轮5C。压缩机轮5C面向进气管64的内部布置，并且涡轮5B面向排气管73的内部布置。因此，涡轮增压器5利用由涡轮5B接收到的排气流(排气压力)来使压缩机轮5C转动，从而执行增大进气压力的所谓的涡轮增压操作。在本实施例中，涡轮增压器5是可变喷嘴式涡轮增压器，其中，可变喷嘴叶片机构(未示出)设置在涡轮5B侧，并且通过调节该可变喷嘴叶片的开度，可以调节发动机1的涡轮增压压力。
用于对由于涡轮增压器5的增压而被加热的进气进行强制冷却的内部冷却器61设置在进气系统6的进气管64中。设置在内部冷却器61的下游侧的节流阀62为开度能够无级调节的电子控制开/闭阀，并且具有在预定条件下限制进气的流道面积的功能，从而调节(减少)进气的供给量。
而且，设置有连接进气系统6和排气系统7的排气再循环通路(EGR通路)8。EGR通路8通过使一部分排气适当地再循环至进气系统6并且将所述排气再供给到燃烧室3来降低燃烧温度，从而减少所产生的NOx的量。而且，设置在EGR通路8中的有EGR阀81以及EGR冷却器82，EGR阀81通过在电子控制下被连续地开/闭能够自由地调节流经EGR通路8的排气流的量，EGR冷却器82用于冷却流经(再循环经过)EGR通路8的排气。
-传感器-
各种传感器被安装在发动机1的相应部件中，并且这些传感器输出与相应部件的环境条件和发动机1的运转状态有关的信号。
例如，上述空气流量计43根据在进气系统6内的节流阀62的上游侧的进气流量(进气量)来输出检测信号。进气温度传感器49布置在进气歧管63中，并且根据进气的温度来输出检测信号。进气压力传感器48布置在进气歧管63中，并且根据进气压力来输出检测信号。A/F(空燃比)传感器44输出根据排气系统7的歧管式催化转化器77的下游侧的排气中的氧浓度而连续变化的检测信号。排气温度传感器45同样地根据排气系统7的歧管式催化转化器77的下游侧的排气的温度(排气温度)来输出检测信号。轨压传感器41根据在共轨22中累积的燃料的压力来输出检测信号。节流阀开度传感器42检测节流阀62的开度。
-ECU-
如图3所示，ECU 100设置有CPU 101、ROM 102、RAM 103、后备RAM104等。在ROM 102中，存储有各种控制程序、在执行这些各种控制程序时参照的设定表等。CPU 101基于存储在ROM 102中的各种控制程序和设定表来执行各种计算处理。RAM 103为暂时存储利用CPU 101的计算所得到的数据或已经从相应传感器输入的数据的存储器，并且，后备RAM 104例如为存储要在发动机1停止时保存的上述数据等的非易失性存储器。
CPU 101、ROM 102、RAM 103和后备RAM 104经由总线107彼此连接，并且经由总线107连接到输入接口105和输出接口106上。
轨压传感器41、节流阀开度传感器42、空气流量计43、A/F传感器44、排气温度传感器45、进气压力传感器48和进气温度传感器49连接到输入接口105上。此外，水温传感器46、加速器开度传感器47、曲轴位置传感器40等连接到输入接口105上。水温传感器46根据发动机1的冷却水温度来 输出检测信号，加速器开度传感器47根据加速踏板被下压的量来输出检测信号，而曲轴位置传感器40在每当发动机1的输出轴(曲轴)转动一固定角度时输出检测信号(脉冲)。另一方面，上述喷射器23、燃料添加阀26、节流阀62、EGR阀81等连接到输出接口106上。
ECU 100基于上述各个传感器的输出来执行对发动机1的各种控制。此外，ECU 100执行下述引燃喷射、预喷射、主喷射、后喷射(after injection)以及次后喷射(post injection)，作为对喷射器23的喷射的控制。
根据共轨22的内压来确定执行这些喷射时的燃料喷射压力。作为共轨内压，通常，从共轨22供给到喷射器23的燃料压力的目标值即目标轨压被设定为随着发动机负荷增大以及随着发动机转数增加而增大。也就是说，当发动机负荷高时，大量的空气被吸入燃烧室3中，因此需要从喷射器23将大量的燃料喷射到燃烧室3中，并且因此需要为喷射器23设定高的喷射压力。而且，当发动机转数高时，可以喷射的期间短，因此每单位时间需要喷射大量的燃料，并且因此需要为喷射器23设定高的喷射压力。这样，通常基于发动机负荷和发动机转数来设定目标轨压。
用于诸如上述引燃喷射、主喷射等的燃料喷射的燃料喷射参数的最优值根据发动机、进气等的温度条件而不同。
例如，ECU 100调节由供给泵21排出的燃料量，使得共轨压力变得与基于发动机运转状态设定的目标轨压相同，即，使得燃料喷射压力与目标喷射压力一致。而且，ECU 100基于发动机运转状态来确定燃料喷射量和燃料喷射形式。具体地，ECU 100基于由曲轴位置传感器40检测出的值来计算发动机转速，基于由加速器开度传感器47检测出的值来获得加速踏板下压量(加速器开度)，并且基于发动机转速和加速器开度来确定总燃料喷射量(下述预喷射中的喷射量与主喷射中的喷射量的和)。
-燃料喷射形式-
下面对本实施例中的引燃喷射、预喷射、主喷射、后喷射以及次后喷射的操作进行一般性描述。
(引燃喷射)
引燃喷射为在主喷射之前从喷射器23预喷射少量燃料的喷射操作。更具体地，在执行所述引燃喷射之后，暂时地中断燃料喷射，使压缩气体的温度(气缸中的温度)在开始主喷射之前充分地增大至达到燃料自燃温度，从而 良好地确保了通过主喷射而喷射出的燃料的点火。也就是说，本实施例中的引燃喷射的功能被专门用于对气缸的内部进行预加热。换句话说，本实施例中的引燃喷射为用于对燃烧室3内的气体进行预加热的喷射作(预加热燃料供给作)。
具体地，在本实施例中，为了实现适当的喷雾分布和局部浓度，将喷射率设定为最小喷射率(例如，每次1.5mm3的喷射量)，并且通过多次执行引燃喷射，确保了该引燃喷射中所需的总引燃喷射量。更具体地，通过下列公式(1)来确定引燃喷射的次数。
N＝{(Ca*dTs)*Kc*Kv}/(J*Y) …………(1)
(N：引燃喷射的喷射次数，Ca：引入气缸中的空气的热容量，dTs：还未达到自燃温度的温度部分，Kc：根据EGR率的热容量校正系数，Kv：受到燃烧作用的空间，J：1.5mm3的理论发热量，Y：热效率)
此处，还未达到自燃温度的温度部分dTs为燃料自燃温度与在主喷射期间燃料的目标点火正时(例如，活塞13已经到达压缩上止点的正时)的压缩气体温度之间的差，并且对应于使目标点火正时的压缩气体温度达到燃料自燃温度所需的热量。应当注意到的是，在上述公式(1)中，每一次的引燃喷射量被设定为固定值(例如，1.5mm3)，并且通过设定喷射次数，确保必要的总引燃喷射量。每一次的引燃喷射量的所述固定值不局限于上述值。
根据喷射器23的响应(开/闭作的速度)来确定以该方式分割喷射的引燃喷射之间的间隔。在本实施例中，例如，所述间隔被设定为200微秒。所述引燃喷射间隔不局限于上述值。
此外，根据下列公式(2)来确定该引燃喷射的喷射开始正时，例如为在活塞13的压缩上止点之前(BTDC)80度或之后的曲轴转角。
引燃喷射开始角度＝引燃燃烧结束角度+引燃喷射期间作用角度+(一次引燃喷射中的燃烧所需时间的曲轴转角换算值*N+点火延迟时间的曲轴转角换算值-重叠时间的曲轴转角换算值) …………(2)
此处，引燃燃烧结束角度是为了在开始预喷射之前完成引燃喷射的燃烧而设定的角度。点火延迟时间为从执行引燃喷射的时刻到所述燃料点火的时刻的延迟时间。重叠时间为：前次执行的引燃喷射所喷射出的燃料的燃烧时间与下次执行的引燃喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间(同时执行 两种燃烧的时间)，以及最终的引燃喷射所喷射出的燃料的燃烧时间与随后执行的预喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间。
(预喷射)
预喷射为用于抑制主喷射的初始燃烧速度从而引起稳定的扩散燃烧的喷射操作(转矩产生用燃料供给操作)，并且为在本发明中所涉及的副喷射。也就是说，当上述主喷射的喷射量增加时，在所述主喷射中喷射出的燃料的汽化和潜热吸收所需的时间增加，结果，有助于同时燃烧的燃料量也增加。当不执行预喷射时，也就是说，当在主喷射中喷射出所有的总燃料喷射量时，有助于在初始燃烧中同时燃烧的燃料量与总燃料喷射量成比例地增加。
图4示出了每一次燃料喷射操作的燃料喷射量与已经执行了燃料喷射时气缸中的喷雾温度分布之间的关系。在图4中，总燃料喷射量按照从实线到点划线再到虚线的顺序增加(参见图4的下部所示的喷雾形状)。如图4所示，在自燃温度上方的区域中存在的燃料量随着燃料喷射量增加而增加，结果，同时燃烧的燃料量也增加。在这种状态下，燃烧噪声和所产生的NOx的量均增大。因此，在主喷射之前执行预喷射(执行所谓的预燃烧)，因此抑制了主喷射的初始燃烧速度，从而引起稳定的扩散燃烧。也就是说，通过执行预喷射，预喷射中的燃料燃烧，因此气缸中的压力增大，并且伴随的是燃料自燃温度的降低。由于压缩气体温度与燃料自燃温度之间的差的减小，缩短了主喷射中的燃料自燃延迟时间，结果，减少了同时燃烧的燃料量，因此抑制了燃烧噪声和NOx生成量二者。
具体地，在本实施例中，例如，将预喷射量设定为用于获得根据诸如发动机转数、加速器操作量、冷却液温度以及进气温度的运转状态而确定出的所需转矩的总燃料喷射量(预喷射中的喷射量与主喷射中的喷射量的和)的10％。稍后将对设定预喷射量的具体操作进行描述。
而且，根据下列公式(3)来设定用于所述预喷射的喷射开始角度(曲轴转角位置)。
预喷射开始角度＝预燃烧结束角度+预喷射期间作用角度+(预喷射中的燃烧所需时间的曲轴转角换算值+点火延迟时间的曲轴转角换算值-重叠时间的曲轴转角换算值) …………(3)
此处，点火延迟时间为从执行预喷射的时刻到所述燃料点火的时刻的延迟时间。重叠时间为：当多次执行预喷射时，前次执行的预喷射所喷射出的 燃料的燃烧时间与下次执行的预喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间(同时执行两种燃烧的时间)，以及从最终的预喷射所喷射出的燃料的燃烧时间与随后执行的主喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间，还有最终的引燃喷射所喷射出的燃料的燃烧时间与预喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间。
(主喷射)
主喷射为用于产生发动机1的转矩的喷射操作(转矩产生用燃料供给操作)。具体地，在本实施例中，设定喷射量，其是通过从上述总喷射量中减去上述预喷射中的喷射量而获得的，上述总喷射量用于获得根据诸如发动机转数、加速器操作量、冷却液温度以及进气温度的运转状态而确定出的所需转矩。
而且，根据下列公式(4)来设定用于所述主喷射的喷射开始角度(曲轴转角位置)。
主喷射开始角度＝主喷射正时+主喷射期间作用角度+(主喷射中的燃烧所需时间的曲轴转角换算值+点火延迟时间的曲轴转角换算值-重叠时间的曲轴转角换算值) …………(4)
此处，点火延迟时间为从执行主喷射的时刻到所述燃料点火的时刻的延迟时间。重叠时间为：上述预喷射所喷射出的燃料的燃烧时间与主喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间，以及主喷射所喷射出的燃料的燃烧时间与后喷射所喷射出的燃料的燃烧时间的重叠时间。
(后喷射)
后喷射为用于使排气温度上升的喷射操作。具体地，在本实施例中，通过后喷射供给的燃料的燃烧能量不被变换为发动机转矩，而是在使得大部分的所述燃烧能量被作为排气热能而获得的正时执行后喷射。而且，同样在所述后喷射中，与在上述引燃喷射的情况下相同，设定最小喷射率(例如，每次1.5mm3的喷射量)，并且通过多次执行后喷射，确保在所述后喷射中所需的总后喷射量。
(次后喷射)
次后喷射为用于通过将燃料直接地引入排气系统7中来实现上述歧管式催化转化器77的升温的喷射操作。例如，当由DPNR催化剂76捕获到的PM 的沉积量已经超过预定量时(例如，通过检测歧管式催化转化器77的前/后压差而得知)，执行次后喷射。
-预喷射和主喷射的控制处理-
接下来结合图5对预喷射和主喷射的控制处理进行描述，该控制处理是本实施例的区别特征。
如图5所示，在预喷射和主喷射的控制处理中，首先对于发动机转矩要求值，计算总燃料喷射量，总燃料喷射量为上述预喷射中的喷射量与主喷射中的喷射量的和(图5中的处理P1和处理P2)。也就是说，计算总燃料喷射量，作为用于产生发动机所需的转矩的值(总燃料喷射量计算部的总燃料喷射量计算作)。
根据诸如发动机转数、加速器作量、冷却液温度以及进气温度的运转状态并且根据辅助装置等的使用状况来确定发动机转矩要求值。例如，随着发动机转数(基于由曲轴位置传感器40检测出的值而计算出的发动机转数)增加，或者随着加速器作量(由加速器开度传感器47检测出的加速踏板下压量)增大，获得了更高的发动机转矩要求值。
这样，在已经计算出总燃料喷射量之后，计算预喷射中的喷射量(下文中也被称为预喷射量)相对于该总燃料喷射量的比率(下文中也被称为分割率)(P3)。也就是说，将预喷射量设定为通过利用上述分割率来分割总燃料喷射量而获得的量。下面对该分割率计算作进行描述。
<分割率计算的技术思想>
基于下述技术思想来进行分割率计算。也就是说，获得了该分割率(预喷射量)，作为实现“对主喷射所喷射出的燃料的点火延迟的抑制”和“对主喷射的燃烧的发热率的峰值的抑制”二者的值。利用这两种抑制，可以实现燃烧噪声的减少和NOx生成量的减少，同时还确保了高的发动机转矩。下面对用于实现“对主喷射所喷射出的燃料的点火延迟的抑制”和“对主喷射的燃烧的发热率的峰值的抑制”二者的技术思想进行具体描述。
-对主喷射所喷射出的燃料的点火延迟的抑制
主喷射所喷射出的燃料的点火延迟(下文简称为点火延迟)是由在主喷射中连续增加的喷雾的吸热反应(其中，燃料喷雾吸收了气缸中的热能，作为汽化热)引起的，并且是由于在气缸中的温度达到点火温度之前发生的热能的减少而发生的。因此，为了抑制热能的减少，在主喷射中的燃料喷射之 后，存在能够在最初进行点火的燃料的最大量。该最大量取决于燃烧位置(气缸内)处的压力、温度和喷雾形状以及混合气形成的位置而变化。而且，当喷射器23的喷孔数、喷孔直径以及喷雾角度固定时，每单位时间所产生的混合气的量由喷射压力来确定。
考虑到这些事实，为了使主喷射中的初始喷雾的温度单调地增加，需要抑制连续的吸热反应，从而抑制上述点火延迟。
结果，作为抑制该点火延迟的技术，与主喷射分离，在主喷射之前执行上述预喷射，使得燃料喷射被间歇地执行。因此，通过抑制连续的吸热反应，并且减少在前的分割量(预喷射中的燃料喷射量)(例如，设定为喷射器23的最小极限喷射量)，减少了在预喷射中喷射出的燃料本身的吸热反应中所吸收的热量。因此，能够抑制上述点火延迟。也就是说，在连续的吸热反应(在主喷射中喷射出的燃料的吸热反应)发生之前，通过对燃烧位置进行预加热连同执行预喷射，确保了主喷射中的初始喷雾的点火的所需热能，因此抑制了上述点火延迟。换句话说，在主喷射的喷射开始初始期间，通过执行预喷射对燃烧位置进行预加热，使得由在利用主喷射而喷射出的燃料的吸热反应所吸收的热量与由于所述燃料点火和燃烧而产生的发热量之间的热平衡中，发热量较大(如本发明中所述，“使得在主喷射的初始喷射期间的发热量不会降低到阈值以下”)。
-对主喷射的燃烧的发热率的峰值的抑制
当在燃烧室中在短期间内连续地供给混合气时，即，在短时间内较大的燃料量已经被喷射到燃烧室中并且因此产生了较大量的可燃混合气的状态下，这引起了主喷射的燃烧的发热率的峰值的增大。因此，如上所述，在主喷射之前执行预喷射，从而变化为间歇的燃料喷射(变化为多级混合气供给)。因此，扩大了燃烧时间并且执行了分割燃烧，从而可以抑制主喷射的燃烧的发热率的峰值小于阈值(小于能够充分地减少燃烧在主喷射中喷射出的燃料时的燃烧噪声和NOx生成量时的峰值)。
<分割率的计算>
-分割率计算技术的概念
基于上述分割率计算的技术思想，在本实施例中，利用下列操作来计算分割率。也就是说，通过在主喷射开始之前执行预喷射来准备有助于主喷射中的初始喷雾的燃烧的热能的量，使得下列公式(5)成立。
新产生的热能＞＝由新供给的混合气所吸收的热能…………(5)
此处，新产生的热能是由于在预喷射中喷射出的燃料的燃烧而产生的热能。由新供给的混合气所吸收的热能是气缸中由在主喷射中喷射出的燃料的吸热反应所吸收的热能。通过使公式(5)成立，可以采用如下构造：其中，在主喷射的初始喷射期间的发热量(由喷射出的燃料所吸收的热量(负热量)与由燃料的燃烧所产生的热量(正热量)的平衡)不会降低到阈值以下。
如果燃烧压力相同，则燃料喷射率的增加速度也相同，因此如果燃烧室3的形状、涡流和挤气流(squish flow)相同，则混合气形成的速度也相同。而且，为了使混合气变为可燃混合气，需要将适量的热能和氧气供给到燃烧位置。当新供给的混合气的一部分未燃烧因此产生了剩余时，剩余部分被转向下次燃烧，因此看起来似乎所供给的混合气增加。此外，当燃料喷射率由于喷射器23的阀闭操作而减小时，新供给的混合气的供给量也减少。而且，上述扩散燃烧的生成仅涉及主喷射中的初始燃烧。考虑到这些事实，获得了在公式(5)中由新供给的混合气所吸收的热能的量，并且计算上述分割率，使得至少为所述吸收的热能的热能通过新产生的热能而获得。
-主喷射中的初始燃烧所需的热能的计算
基于下列技术思想来计算主喷射中的初始燃烧所需的热能。
为了抑制主喷射所喷射出的燃料的点火延迟，需要减少在主喷射中喷射出的燃料的吸热反应中所吸收的热能的量。也就是说，在执行主喷射时气缸中的热能的量影响点火延迟的发生。因此，为了抑制点火延迟，需要规定预喷射中的燃料喷射量。
另一方面，为了抑制主喷射的燃烧的发热率的峰值而相对于总燃料喷射量在预喷射中喷射多少燃料量是个问题。更具体地，发热率的峰值随着预喷射与总燃料喷射量的比率变小而增大，并且发热率的峰值在预喷射的比率扩大时减小。也就是说，发热率的峰值受预喷射量与总燃料喷射量的比率大小的影响。因此，为了抑制发热率的峰值，需要规定预喷射量与总燃料喷射量的比率(分割率)。因此，为了抑制发热率的峰值，存在作为预喷射量与总燃料喷射量的比率(分割率)的特定值(例如，10％)，并且通过将分割率乘以总燃料喷射量来获得分割喷射量(预喷射量)。
由于上述原因，在本实施例的情况下，作为用于实现“对主喷射所喷射出的燃料的点火延迟的抑制”和“对主喷射的燃烧的发热率的峰值的抑制”二者的具体技术，执行下述分割率计算操作。
具体地，将为了实现对发热率的峰值的抑制所需的预喷射中的分割率与为了实现对点火延迟的抑制所需的预喷射中的燃料喷射量相比较。获得的燃料喷射量是由为了抑制发热率的峰值所需的预喷射中的分割率获得的燃料喷射量(该燃料喷射量根据总燃料喷射量而变化)与为了抑制点火延迟所需的预喷射中的燃料喷射量中的较大的燃料喷射量。
具体地，在与对发热率的峰值的抑制相比更需要对点火延迟的抑制的情况中，例如，在总燃料喷射量较小的状况下，使得喷射延迟容易发生，为了抑制点火延迟所需的预喷射中的燃料喷射量大于为了抑制发热率的峰值所需的预喷射中的燃料喷射量。在这种情况下，进行设定，使得利用为了实现对点火延迟的抑制所需的预喷射中的燃料喷射量来执行预喷射(以对点火延迟的抑制为优先的预喷射设定)。
另一方面，在与对点火延迟的抑制相比更需要对发热率的峰值的抑制的状况下，例如，在总燃料喷射量较大的状况下，使得发热率的峰值的增大容易发生，为了抑制发热率的峰值所需的预喷射中的燃料喷射量大于为了抑制点火延迟所需的预喷射中的燃料喷射量。在这种情况下，采用为了实现对发热率的峰值的抑制而设定的上述分割率，并且进行设定，使得利用基于所述分割率而获得的预喷射量(通过将分割率乘以总燃料喷射量)来执行预喷射(以对发热率的峰值的抑制为优先的预喷射设定)。
在计算分割率时的校正因子的示例包括气缸中的搅拌能力和氧供给量以及所述氧的浓度(EGR率)。通过这些校正因子来校正和计算分割率。
在图5所示的P4中，计算已经以上述方式设定的预喷射中的预喷射量。也就是说，在以对点火延迟的抑制为优先的预喷射的情况下，照原样采用为了实现对点火延迟的抑制所需的预喷射量。另一方面，在以对发热率的峰值的抑制为优先的预喷射的情况下，采用通过将分割率乘以总燃料喷射量而获得的预喷射量(分割喷射量计算部的分割喷射量计算操作)。
在这种情况下，当所获得的预喷射量小于1.5mm3时，其小于喷射器23的最小极限喷射量，因此将预喷射中的燃料喷射量设定为喷射器23的最小极限喷射量(1.5mm3)。另一方面，当预喷射的总喷射量需要超过喷射器23的 最小极限喷射量时，通过执行多次预喷射，确保了在所述预喷射中所需的总喷射量。例如，当预喷射量为5mm3时，执行两次作为喷射器23的最小极限喷射量的1.5mm3喷射，之后执行一次2.0mm3喷射。此外，当预喷射量为2.0mm3时，执行两次作为喷射器23的最小极限喷射量的1.5mm3喷射，从而确保至少为所需喷射量的预喷射量。
而且，在本实施例中，当将主喷射的目标点火正时设定在活塞13的压缩上止点(TDC)附近时，例如，分割率(在以对发热率的峰值的抑制为优先的情况中的分割率)统一设定为10％。然而，所述值不限于上述设定。
而且，当将主喷射的目标点火正时设定得远离活塞13的压缩上止点(TDC)时，在活塞13到达压缩上止点之后(ATDC)，将预喷射量校正为增大的量(增量校正部的分割喷射量增量校正操作)。这是因为在主喷射中喷射出的燃料点火的正时，活塞13已经开始朝下止点下降，并且与伴随着燃烧室体积的增加而产生的温度降低相对应的热能由在预喷射中喷射出的燃料来补给。因此，即使将目标点火正时设定在ATDC时，也可以产生高的发动机转矩。而且，在这种情况下，因为在膨胀期间的点火延迟可能引起点火失败，所以执行预喷射以便可以防止点火延迟的发生。也就是说，即使是在目标点火正时的气缸中的温度上升并且燃料的自燃温度增加连同着气缸中的压力降低时，也对预喷射量进行增量校正，使得确保在气缸内的主喷射中的燃料能够充分地点火的热能。
<分割量的上/下极限保护>
对如上所述计算出的分割量(预喷射量)给出如下所述的上极限值保护和下极限值保护(上/下极限限定部的上/下极限值限定操作：图5中的P5)。
-分割喷射量的下极限值的设定
(A)分割喷射量的下极限值的一个示例是使得喷射器23的精度能够得到保证的最小喷射量。在本实施例中，喷射器23的最小极限喷射量的一个示例为1.5mm3。也就是说，当计算出分割喷射量为小于1.5mm3时，将分割喷射量设定为1.5mm3。
(B)而且，当燃烧扩散速度超过点火温度到达速度时，空燃比变得比可燃空燃比稀，并且扩散速度根据例如喷射空间的体积(由于活塞位置而变化)、氧浓度、氧气量、涡流和挤气流(squish current)的影响、燃料量等而变化。
考虑到这些事实，将可以形成可燃空燃比的所需最小极限燃料喷射量设定为分割喷射量的下限值。也就是说，采用在上述(A)和(B)中设定的下限值中的较高值，作为分割喷射量的下限值。
-分割喷射量的上限值的设定
(C)设定用于使燃料点火延迟最小化的上限喷射量，作为分割喷射量的上限值。
(D)而且，将上限喷射量设定为为了抑制燃烧噪声而设定的所需最小极限值。
(E)此外，考虑到喷射效率来设定上限喷射量。例如，因为在活塞13到达压缩上止点之前(BTDC)执行燃烧是效率低的，所以在该正时执行预喷射的情况下，设定上限喷射量，使得在活塞13到达压缩上止点之前不会产生转矩(反向转矩)。
考虑到这些事实，设定分割喷射量的上限值。也就是说，采用在上述(C)(D)和(E)中分别设定的上限值中的较低值，作为分割喷射量的上限值。
此外，分割喷射量的所述上限值可以根据预喷射的喷射正时和发动机1的负荷状态而变化。图6示出了在这种情况下的分割喷射量的上限值。也就是说，随着预喷射的喷射正时靠近活塞13的压缩上止点(TDC)，将分割喷射量的上限值设定得更低，因此，气缸内的压力和温度的允许增加量受到了限制。而且，与当发动机1处于高负荷状态时相比，当发动机1处于低负荷状态时，将分割喷射量的上限值设定得较低。这是因为当发动机1处于低负荷状态时，在这种状况下，主喷射中的燃烧噪声低，因此在这种情况下，当预喷射量大时，由预喷射引起的燃烧噪声相对于发动机1的全部燃烧噪声的比例将增大，因此，利用上述构造，避免了上述问题并且发动机1的静肃性增大。
<主喷射量的计算>
利用已经给定上、下极限保护并且如上所述设定的分割喷射量，通过下列公式(6)来计算主喷射量(图5中的P6)。
主喷射量＝总燃料喷射量-分割喷射量 …………(6)
<燃烧效率的计算>
考虑到执行预喷射时的燃烧效率来选择下列两种多级喷射形式(图5中的P7)。
-具有独立发热率的多级喷射形式
该喷射形式用于确保在预加热中所需的热能的最大极限，并且被设定为在开始执行预喷射时在结束急速燃烧之后开始缓慢燃烧部的下次喷射(后续预喷射)中的燃烧。因此，如图7所示，设定这样的状态：其包括在单独预喷射(第一预喷射和第二预喷射)中喷射出的燃料与在主喷射中喷射出的燃料独立的发热率。
-具有从属发热率的多级喷射形式
在该喷射形式中，使得发热率单调化，从而使得发热率的变化形成包络线，并且设定发热率，使得在开始执行预喷射时在结束急速燃烧之前开始下次喷射(后续预喷射)中的燃烧。因此，如图8所示，建立这样的状态：其包括在单独预喷射(第一预喷射和第二预喷射)中喷射出的燃料与在主喷射中喷射出的燃料分别连续的发热率。图8中的虚线表示伴随着在先前的预喷射(在第二预喷射之前的第一预喷射，以及在主喷射之前的第二预喷射)中喷射出的燃料的燃烧而产生的发热率的变化。
对于所述多级喷射的形式的独立性和从属性，并不限制使在预喷射和主喷射中分别喷射出的燃料的所有燃烧独立或者使所述燃烧从属；如下所述，所述燃烧可以既有独立性又有从属性。
例如，当执行两次预喷射时，使得前次预喷射(第一预喷射)中的燃烧与后续预喷射(第二预喷射)中的燃烧独立，并且使得第二预喷射中的燃烧与主喷射中的燃烧从属。在这种情况下，第一预喷射的喷射正时为使得在相对于活塞13的压缩上止点的提前侧(advance side)执行预喷射，因此喷雾扩散至气缸内的整个范围。因此，可以利用在第一预喷射中喷射出燃料形成预混状态。在这种情况下，气缸内的空燃比局部地变稀，因此产生未点火的区域，并且因此在第一预喷射中喷射出的燃料的一部分(例如，大约60％)变为当活塞13到达压缩上止点附近时未燃烧的剩余燃料，并且当执行第二预喷射时，该剩余燃料连同在第二预喷射中喷射出的燃料一起燃烧。结果，可以增加第二预喷射中的燃烧与主喷射中的燃烧的从属性。
而且，可以使得第一预喷射中的燃烧与第二预喷射中的燃烧从属，并且使得第二预喷射中的燃烧与主喷射中的燃烧独立。
如上所述，可以调节预喷射的喷射正时和主喷射的喷射正时，因此可以建立在预喷射中喷射出的燃料(喷雾团(cluster of spray))与在主喷射中喷 射出的燃料(喷雾团)重叠的状态，或者建立在预喷射中喷射出的燃料(喷雾团)与在主喷射中喷射出的燃料(喷雾团)不重叠的状态。此处，前者的喷射状态中的燃烧被称为“重叠燃烧”，而后者的喷射状态中的燃烧被称为“邻接燃烧(adjacent combustion)”。下面对这些燃烧类型的细节进行描述。
<主燃烧正时的计算>
以下列方式设定主燃烧正时(由主喷射正时设定部设定主喷射的喷射正时的操作：图5中的P8)。
当如上所述利用多级分割喷射抑制了点火正时，并且峰值发热率将可能减小时，将主燃烧正时设定在活塞13的压缩上止点(TDC)附近。也就是说，将热效率最高的正时设定为目标点火正时。
另一方面，当预喷射量不足以抑制发热率的峰值时，使主燃烧正时固定，通过增加EGR率来减小氧浓度，执行燃料压力、气体充填量的减小等，从而降低混合气供给速度。
而且，可能存在以下情况：响应于改善废气排放的要求而将主燃烧正时设定为比活塞13的压缩上止点(TDC)滞后的角度(ATDC)。例如，当NOx的排出量大时，将主燃烧正时设定为比压缩上止点滞后的角度，从而降低燃烧温度。
<分割喷射量的多级控制>
对于以如上所述的方式获得的所需的预喷射量，通过多级喷射来间歇地执行燃料喷射。也就是说，基于在图5中的P4处获得的上述预喷射量，设定喷射正时和喷射间隔，并且通过这些设定来确定预喷射的喷射模式(副喷射正时设定部的喷射正时设定操作：图5中的P9)。
通过所需预加热能量和喷射量来计算作为喷射间隔的所需时间。具体地，利用下列公式(7)来计算喷射间隔。
主喷射正时+分割喷射燃烧期间+点火延迟时间(包括喷射延迟) …………(7)
例如，如上所述，当预喷射的总喷射量小于1.5mm3(喷射器23的最小极限喷射量)时，将预喷射中的燃料喷射量设定为1.5mm3。
当预喷射的总喷射量为5mm3时，执行两次作为喷射器23的最小极限喷射量的1.5mm3喷射，然后执行一次2.0mm3喷射。在这种情况下，例如，将200微秒设定为喷射间隔。
由于如上所述利用预喷射和主喷射的控制处理来执行预喷射和主喷射，因此可以实现燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少，而且还确保了高的发动机转矩。
图9示出了在已经利用根据本实施例的控制处理来执行预喷射和主喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧而产生的发热率的变化(图9中的实线所示)，以及在不执行预喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧而产生的发热率的变化(图9中的虚线所示)。从图9中可以清楚地看出，根据本实施例的构造，抑制了每单位时间发热率的增加量，并且还将发热率的峰值抑制到低水平。因此，可以确认的是，可以实现燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少。
图10示出了在主喷射执行正时附近的发热量的变化，并且示出了在已经利用根据本实施例的控制处理来执行预喷射和主喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧而产生的发热量的变化(图10中的实线所示)，以及在不执行预喷射的情况下伴随着气缸中的燃烧而产生的发热量的变化(图10中的虚线所示)。从图10中可以清楚地看出，可以确认的是，利用常规构造，伴随着主喷射的执行，能够确认由于燃料的吸热反应而引起的发热量的下降，之后，发热量急剧上升，因此燃烧噪声和NOx生成量增大。另一方面，可以确认的是，根据本实施例的构造，在主喷射执行正时的发热量几乎没有下降，并且发热量缓慢上升，从而可以实现燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少。
-邻接燃烧和重叠燃烧-
利用本实施例中的预喷射和主喷射，通过调节所述预喷射(在执行多次预喷射的情况下的最终预喷射)与主喷射之间的喷射间间隔，使燃烧室3内的燃烧形式在上述“邻接燃烧”与“重叠燃烧”之间进行切换。下面对所述邻接燃烧和重叠燃烧进行描述。
在发动机1的进气期间，对于从进气口15a流入气缸中的空气流，产生了以气缸中心线P作为旋转中心的上述涡流，并且甚至在压缩冲程期间也在气缸中连续地产生所述涡流。
因此，在预喷射中喷射出的燃料由于所述涡流而在气缸内沿周向流动。也就是说，在压缩冲程的时间经过的同时，使得在预喷射中喷射出的燃料(燃料喷雾团)从与喷射器23的喷孔相对的位置(紧接喷射后的位置)起，随着涡流沿周向流动。
因此，在执行主喷射时，在预喷射中喷射出的燃料已经在气缸内沿周向流动，使得从同一喷孔喷射出的预喷射的燃料和主喷射的燃料不重叠(两种喷射所喷射出的燃料团未结合在一起)。
在这种情况下，已经从沿涡流方向的上游侧的喷孔喷射出的预喷射的燃料正流向面向沿涡流方向的下游侧的喷孔的位置，因此通过调节主喷射的喷射正时，可以允许从沿涡流方向的上游侧的喷孔喷射出的所述主喷射中的燃料与预喷射中的燃料结合，或者防止所述结合。重叠燃烧是在主喷射的燃料与预喷射的燃料已经被结合的状态下燃烧燃料的燃烧形式，而邻接燃烧是在主喷射的燃料和预喷射的燃料还未被允许结合的状态下燃烧燃料的燃烧形式。
更具体地，在从活塞13处于下止点时起到活塞13到达上止点的间隔(在曲轴转角为180度的运动期间)中，可以考虑涡流在气缸内沿周向环绕一次的情况。也就是说，涡流比为“2”。而且，考虑这样的情况：喷射器23的喷孔数为“10个”，并且执行两次燃料喷射(第一预喷射和第二预喷射)作为预喷射。
在这种情况下，如果将第一预喷射与第二预喷射之间的间隔以及预喷射与主喷射之间的间隔被设定为在气缸内沿周向18度(曲轴转角为9度)，则能够实现重叠燃烧，即，执行在主喷射中喷射出的燃料与在第一预喷射中喷射出的燃料重叠的燃烧。
在执行三次燃料喷射作为预喷射的情况下，即使预喷射之间的间隔以及预喷射与主喷射之间的间隔被设定为在气缸内沿周向12度(曲轴转角为6度)，也能够实现重叠燃烧，即，执行在主喷射中喷射出的燃料与在第一预喷射中喷射出的燃料重叠的燃烧。
更具体地，通过下列公式(8)来确定用于设定上述间隔的气缸内的沿周向的角度(偏移角度)。
偏移角度＝(360/喷射器的喷孔数)/涡流比 …………(8)
另一方面，当设定为不同于执行重叠燃烧的间隔的间隔时，结果是邻接燃烧，其中，在预喷射中喷射出的燃料与在主喷射中喷射出的燃料不重叠的状态下执行燃烧。
具体地，当已经执行了上述重叠燃烧时，在执行主喷射之前，在将在所述主喷射中喷射出燃料的区域中，通过预喷射所喷射出的燃料的燃烧来消耗氧气，并且一旦执行了主喷射，所述区域中的氧浓度被降低，因此紧接在主喷射之后的燃烧是缓慢的，从而可以抑制燃烧温度的急剧上升。因此，可以实现由于在主喷射中喷射出的燃料的燃烧而引起的燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少。
另一方面，当已经执行了上述邻接燃烧时，充分确保了一旦执行了主喷射时燃料喷射区域中的氧浓度，并且在主喷射之后，可以在短时间内运动到扩散燃烧，因此可以输出高转矩。
如上所述，在本实施例中，能够利用图5所示的一系列的控制处理来设定预喷射和主喷射中的喷射形式，并且通过在现有技术中不存在的控制规则的构造，变得可以使喷射中的参数固定，从而可以实现唯一地确定预喷射和主喷射的喷射模式的整体控制。由于如上所述利用预喷射和主喷射的控制处理来执行预喷射和主喷射，因此可以实现燃烧噪声的降低和NOx生成量的减少，而且还确保了高的发动机转矩。
-其它实施例-
在上述实施例中，描述了本发明被应用于安装在汽车中的直列四气缸柴油发动机的情况。本发明不局限于用在汽车中，而是还可适用于其它用途中使用的发动机。而且，气缸的数量和发动机的形式(直列发动机、V型发动机等)不受特定的限制。
此外，在上述实施例中，歧管式催化转化器77设置有NSR催化剂75以及DPNR催化剂76，但是也可以采用设置有NSR催化剂75以及DPF(柴油机微粒滤清器)的歧管式催化转化器77。
本发明可以在不背离其精神或本质特性的情况下以各种其它形式来体现。本申请中所公开的实施例将被完全视为示例性的而非限制性的。本发明的范围通过随附的权利要求而不是通过上述说明书来指示，并且在权利要求的等同意图和范围内的所有改进或变化均旨在被涵盖于此。
本申请要求于2007年12月7日在日本提交的第2007-316992号日本专利申请的优先权，其全部内容通过参考合并于此。此外，本说明书中所引用参考文献的全部内容在此通过参考具体地合并于此。
Claims (6)
1.一种压缩自燃式内燃机的燃料喷射控制装置，所述内燃机能够利用燃料喷射阀通过在主喷射和在所述主喷射之前执行的副喷射之间分割为了有助于所述内燃机的转矩产生而喷射出的燃料量来执行喷射，所述燃料喷射控制装置包括：
总燃料喷射量计算部，其基于所述内燃机所需的转矩来计算有助于转矩产生的总燃料喷射量；
分割喷射量计算部，其获得分割喷射量；
上/下限限制部，其对利用所述分割喷射量计算部获得的所述分割喷射量以预定的上限值和下限值给出限制；以及
副喷射正时设定部，其设定在执行通过利用所述上/下限限制部给出限制而获得的所述分割喷射量的所述副喷射时的喷射正时，
其中所述分割喷射量计算部获得发热量确保喷射量，所述发热量确保喷射量是为了防止在所述主喷射的初始喷射期间发热量降低到阈值以下而执行所述副喷射时所需的喷射量，并且所述分割喷射量计算部获得峰值抑制分割率，所述峰值抑制分割率是分割喷射量相对于为了抑制伴随着在所述主喷射中喷射出的燃料的燃烧而产生的发热量的峰值小于阈值所需的总燃料喷射量的分割率，并且当所述发热量确保喷射量大于通过将所述峰值抑制分割率乘以所述总燃料喷射量而获得的峰值抑制喷射量时，将所述发热量确保喷射量设定为所述分割喷射量，并且当所述峰值抑制喷射量大于所述发热量确保喷射量时，将所述峰值抑制喷射量设定为所述分割喷射量。
2.根据权利要求1所述的内燃机的燃料喷射控制装置，其中，所述峰值抑制分割率被设定为10%。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的燃料喷射控制装置，其中，所述上/下限限制部将所述分割喷射量的所述下限值设定为燃料喷射阀的最小极限喷射量。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机的燃料喷射控制装置，其中，所述上/下限限制部将所述分割喷射量的所述上限值设定为使在执行所述副喷射时的燃料的点火延迟最小化或者使发动机效率的恶化最小化的喷射量。
5.根据权利要求1或2所述的内燃机的燃料喷射控制装置，其中，当所述分割喷射量为所述燃料喷射阀的最小极限喷射量的至少两倍时，所述副喷射正时设定部利用多级喷射来执行所述副喷射。
6.根据权利要求1或2所述的内燃机的燃料喷射控制装置，进一步包括：
增量校正部，当在所述主喷射中喷射出的燃料的目标点火正时被设定为比活塞已经到达压缩上止点中心的位置滞后的角度时，所述增量校正部执行增加在所述副喷射中喷射出的所述分割喷射量的校正。
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