CN102933825A - 用于汽车的柴油引擎、控制装置和控制方法 - Google Patents

用于汽车的柴油引擎、控制装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于汽车的柴油引擎，其中，引擎主体1中的几何压缩比被设定为15以下。在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，喷射控制单元（ECU 40）执行在压缩上死点附近喷射燃料的主喷射，和在主喷射之前的预先喷射。喷射控制单元执行引导喷射和预喷射作为预先喷射，该引导喷射在一个时刻进行喷射，以使至少部分燃料喷雾到达活塞顶面的腔体31的外部，该预喷射在引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过主喷射所喷射的燃料的点火延迟。

Description

用于汽车的柴油引擎、控制装置和控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于汽车的柴油引擎，更具体而言，涉及一种几何压缩比被设定为15以下的较低压缩比的柴油引擎。
背景技术
在安装在汽车中的柴油引擎中，考虑到例如减少NOx的量和排气中的烟雾、降低噪音和振动、和提高燃料消耗和扭矩，在一个引擎循环期间在每个气缸中进行多次燃料喷射。例如，日本专利申请公报No.2009-293383（在下文中，专利文献1）公开一种燃料喷射模式，在该燃料喷射中，在用于产生扭矩的主喷射之前进行两次喷射，即用于预混合的预喷射和用于预加热的预喷射。
关于设定用于预混合的预喷射和用于预加热的预喷射中的喷射时刻，专利文献1还公开了特征：在主喷射的喷射时刻被固定的状态下，在将用于预加热的预喷射的喷射时刻朝着提前侧变化的同时，确定气缸中的放热量或放热率下降的时刻，以获得用于预加热的预喷射的提前角极限；和类似地，在主喷射的喷射时刻被固定的状态下，在改变用于预混合的预喷射的喷射时刻的同时，确定气缸中的放热量变为零的时刻，以获得用于预混合的预喷射的滞后角极限。
在安装在汽车中的柴油引擎中，在高使用频率和在相对低速侧的部分负载（低负载到中等负载）的区域中，NVH（噪音、振动和不舒适性（harshness））性能是一个重要因素。尤其，在上述工作区域内的中等负载区域，放热率（或放热速度dQ/dq）突然增加，并随之在主燃烧期间增加燃料喷射量，在主燃烧中，通过主喷射喷射的燃料进行燃烧（主要是扩散燃烧）。这样有可能引起燃烧噪声的增加和NVH性能的损失，这些都是存在的问题。
对于解决上述问题的方法，上述专利文献中公开的技术仅仅涉及设定用于预混合的预喷射的滞后角极限和用于预加热的预喷射的提前角极限，而没有涉及抑制在主燃烧期间放热率的突然增加。因此，需要提供技术，以主动地控制气缸中的燃烧模式，从而抑制在主燃烧期间在预定负载区域中的放热率的突然增加。
引用列表
专利文献
PTL1：日本专利申请公报No.2009-293383
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于：通过控制用于汽车的柴油引擎中的燃烧模式，尤其，通过控制在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域的燃烧模式，以改善NVH性能。
本发明的技术是在广义上集中在通过控制几何压缩比为15以下的较低压缩比的柴油引擎处于相对难点燃条件时的燃料喷射模式，来提高气缸中的燃烧模式的可控性的技术。具体而言，本发明的目的在于：通过设定在压缩上死点附近执行主喷射之前的、引导喷射和预喷射的适当喷射时刻，来使燃烧模式变慢，特别是使伴随主喷射的主燃烧变慢，以便防止放热率的突然增加，从而改善NVH性能。
为了实现上述目的，本发明是一种用于汽车的柴油引擎，包括：引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；和喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；其中，在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料；其中，
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
在用于汽车的、几何压缩比为15以下的较低压缩比的柴油引擎的上述结构中，在引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，执行在压缩上死点附近喷射燃料的主喷射，并且，在主喷射之前的压缩冲程中的预定时刻执行两次燃料喷射，即引导喷射和预喷射。因此，在紧接着主燃烧前的预燃烧时期可以被缩短，在该时期中的放热率相对较高，并且可以通过缩短主喷射的点火延迟，使主燃烧变慢。因此，减少燃烧噪声，从而改善NVH性能。
附图说明
图1是说明柴油引擎的构造的示意图；
图2是根据柴油引擎的状态的喷射器的燃料喷射模式的映射图的实例；
图3是说明预混合燃烧模式中的燃料喷射模式的实例，和与之相关的放热率变化过程（history）的实例的简图；
图4是说明扩散燃烧模式（较近的两个阶段）中的燃料喷射模式的实例，和与之相关的放热率变化过程的实例的简图；
图5是说明扩散燃烧模式（三个阶段）中的燃料喷射模式的实例，和与之相关的放热率变化过程的实例的简图；
图6是说明扩散燃烧模式（较远的（distant）两个阶段）中的燃料喷射模式的实例，和与之相关的放热率变化过程的实例的简图；以及
图7是说明扩散燃烧模式（三个阶段）中的燃料喷射模式的工作实例（实例）和放热率的变化过程，以及说明没有进行预喷射的情况下的燃料喷射模式的工作实例（比较实例）和放热率变化过程的简图。
具体实施方式
下面将参考附图描述根据实施例的柴油引擎。本质上，如下所述的最佳实施例实质上仅仅是说明性的。图1说明引擎A的实例，其中参考数字1表示安装在车辆中的引擎主体。引擎主体1是柴油引擎，并且具有多个气缸2，2，...（图中只显示了一个气缸），以柴油为主要成分的燃料被供应到该柴油引擎。活塞3可往复地插入适配进每个气缸2中。腔体31形成在活塞3的顶面上，该腔体31划分凹陷形的燃烧室4。
喷射器5（燃料喷射气门）布置在燃烧室4的顶部分上，以便高压燃料从喷射器5的前端部分的喷嘴被直接喷入燃烧室4中。引擎主体1被构造成几何压缩比为15以下（但是不小于12）的较低压缩比的引擎。如下所述，通过对排气门82的开启和关闭进行控制和对EGR通道34、44中的EGR气门35、45进行控制，大量的EGR气体被导入气缸2中，从而能够进行预混合点火燃烧（PCI（预混合充气压缩点火（premixed charge compressionignition））燃烧）。
尽管附图中未显示，但是燃料被供应到每个气缸2的每个喷射器5的构造就是所谓的共轨结构，该共轨结构设置有公共燃料分配管（共轨），其与每个喷射器5连接。因此，在引擎的一个循环期间，燃料能够在多个时间被喷入气缸2内。对于无限制的实例，喷射器5可以是具有嵌入式控制气门的类型，从而根据喷射器5中的激励电流，通过改变控制气门升程以喷射燃料。
分别开启和关闭进气门81和排气门82的气门机构71、72布置在引擎主体1的顶部。液压执行变量机构（在下文中，由参考数字72表示的VVM（可变气门运动））设置成进气门81和排气门82的气门机构71、72中的排气门82的气门机构72，该液压执行变量机构对普通模式和特殊模式之间的排气门82的工作模式进行切换。
尽管附图中没有显示VVM 72的详细构造，但是VVM 72包括具有不同的凸轮轮廓的两种凸轮，即具有一个凸轮尖的第一凸轮和具有两个凸轮尖的第二凸轮，和空转（lostmotion）机构，该空转机构选择性地将第一或者第二凸轮的工作状态传输到排气门，从而当第一凸轮的工作状态被传输到排气门82时，排气门82以普通模式进行工作，在该普通模式中气门仅仅在排气冲程期间开启一次；和当第二凸轮的工作状态被传输到排气门82时，排气门82以特殊模式进行工作，在该特殊模式中存在气门在排气冲程期间和进气冲程期间都开启的所谓的排气双开启。
在VVM 72中，由引擎驱动液压泵（未显示）进行普通模式和特殊模式之间的切换。如下所述，在根据内部EGR进行控制期间可以使用特殊模式。可以采用任何构造，只要通过控制进气门81/和排气门82能够导入内部EGR气体即可。例如，可以使用电磁驱动式气门系统，在该电磁驱动气门系统中通过电磁致动器驱动进气门81、排气门82。
用于向每个气缸2的燃烧室4供应通过空气清洁器（未显示）过滤的空气（新的空气）的进气通道16被连接到引擎主体1的一侧面（图中的右侧）。包括蝶形气门的进气节气门22、压缩器20、中间冷却器21、和包括蝶形气门的中间冷却器（I/C）通道节气门23在进气通道16中从上游侧到下游侧依次设置，该压缩器20通过下述涡轮（turbine）27来压缩进气，该中间冷却器21使通过压缩器20压缩的进气冷却。
用于排放来自每个气缸2的各个燃烧室4的燃烧气体（排气）的排气通道26被连接在引擎主体1的相对侧面（图中的左侧）。
排气通道26的上游端是排气歧管，该排气歧管使每个气缸2分流并且通过排出口与各个燃烧室4连通。在接收排气流时旋转的涡轮27，和能够净化排气中的有害成分的柴油氧化催化剂28和DPF（柴油颗粒过滤器）29从排气通道26的上游侧到下游侧依次布置在排气歧管的下游。氧化催化剂28和DPF 29被收容在一个外壳中。
氧化催化剂28具有承载铂或具有增加钯的铂的氧化催化剂。氧化催化剂28加快排气中的CO和HC的氧化反应，因此产生CO2和H2O。DPF 29收集存在于引擎主体1的排气中的微粒，例如烟雾等等。DPF 29可以涂覆有氧化催化剂。
用于朝着进气侧的部分排气的回流的第一排气回流通道（在下文中，第一EGR通道）34的上游端被连接到排气通道26，从而第一EGR通道34面向在排气下游侧比DPF 29更远的位置敞开。
第一EGR通道34的下游端在进气节气门22和压缩器20之间被连接到进气通道16，从而从排气通道26中排出的部分排气回流到进气通道16中。用于冷却流过第一EGR通道34内部的排气的EGR冷却器37和排气回流量调节气门（在下文中，第一EGR气门）35布置在沿着第一EGR通道34的中间部分（halfway），该第一EGR气门35能够调节其开度。
第二排气回流通道（在下文中，第二EGR通道）44的上游端被连接到排气歧管。第二EGR通道44的下游端被连接到中间冷却器21（I/C通道节气门23）下游的进气通道16。第二排气回流量调节气门（在下文中，第二EGR气门）45布置在第二EGR通道44的中间部分，该第二EGR气门能够调节其开度。EGR冷却器可以插入第二EGR通道44的中间部分。
驱动气门系统中的喷射器5，以及VVM 72、进气节气门22、I/C通道节气门23、第一EGR气门35和第二EGR气门45等等在接收到来自控制单元（电子控制单元，在下文中为ECU）40的控制信号时被驱动。
ECU 40由具有CPU、存储器、计数器组、接口和连接上述单元的路径组成的微处理器。ECU 40具有输入到其中的输出信号，这些输出信号例如来自至少：曲柄角传感器51，其检测引擎主体1的曲柄轴的旋转角度；进气压力传感器52，其检测进气压力状态；O2传感器53，其检测排气中的氧浓度；气流传感器54，其检测吸入引擎主体1中的外界空气的流速；进气温度传感器55，其在EGR气体混合后检测进气温度；和加速器踩踏量传感器56，其检测未显示的加速踏板的踩踏程度（加速器踩踏量）。
通过根据上述信号进行各种计算来估计引擎主体1和车辆的状态。根据由此确定的该状态，控制信号被输出到喷射器5、VVM 72和驱动气门系统的各种气门22、23、35、45。ECU 40构成喷射控制单元和EGR量控制单元。
（引擎中的燃烧控制的概述）
通过ECU 40的引擎主体1的基本控制包括：主要根据加速器踩踏量决定目标扭矩（目标负载）；和根据目标扭矩并通过对喷射器5的操作控制以控制例如燃料喷射量和喷射时期。通过控制节气门22、23，第一和第二EGR气门（外部EGR控制）和VVM 72（内部EGR控制）的开度，控制进入气缸2中的排气的回流比例。
图2是说明当引擎主体1升温时，根据引擎的状态，喷射器5的燃料喷射模式的映射图。根据引擎转速和引擎负载（燃料的实际总喷射量)，当升温时，引擎主体1大致切换两种燃烧模式，如图2所示，即预混合燃烧模式（图中的区域A）和扩散燃烧模式（图中的区域B、C和D）。
在扩散燃烧模式中，基本上，燃料是在活塞3靠近压缩上死点（主喷射）时被喷入气缸2中的。因此，通过喷射器5的燃料喷射和燃料点燃同时发生。在本实施例的扩散燃烧模式中，预先喷射在主喷射之前进行。
在预混合燃烧模式中，燃料在压缩冲程中的早期时刻被喷入气缸2中，并且燃料喷射在燃料点燃之前结束。因此，燃料能够在燃料点燃之前获得均质大气，由此由于燃料和空气之间的较低当量比，抑制不完全的燃料燃烧和形成烟雾。预混合燃烧模式在燃料消耗和排放方面是有益的，但是需要保证有用于使燃料均匀的时间。因此，预混合燃烧模式在引擎负载较低并且引擎转速也较低时使用。
在本实施例中，根据引擎负载和引擎转速，扩散燃烧模式被分成三个区域。燃料喷射模式在各个区域都不同。
具体而言，在较高负载和相对低速的区域（图2的映射图的左边的区域）中，燃料喷射设定为以引导喷射、预喷射和主喷射的形式进行三次（区域C中的扩散燃烧模式（三个阶段））。在低速侧除了三个阶段的扩散燃烧模式区域C和预混合燃烧模式区域A之外的区域，燃料喷射设定为以预喷射和主喷射的形式进行两次（区域B中的扩散燃烧模式（较近的两个阶段））。在下文中，除非另有说明，低引擎转速对应于从0到1500RPM的速度范围，高引擎转速对应于从3000到4500RPM的速度范围。
在引擎转速较高的区域（图2的映射图的右边的区域）或比上述扩散燃烧模式的区域B和C的负载更高的高负载区域中，燃料喷射设定为以引导喷射和主喷射的形成进行两次（区域D中的扩散燃烧模式（较远的两个阶段））。
在相对低负载区域A、B、C中，尤其，通过VVM 72进行的控制导致较大量的内部EGR气体被导入气缸2中，从而改善废气排放。在气缸2中，当如上所述的引擎主体1中为低压缩比并且导入的大量的内部EGR气体混合时，在这些工作区域内的燃料可燃性降低。
下面将参考图3到6描述根据每个燃烧模式的燃料喷射模式。在附图之间相比时，图3到6中显示的燃料喷射量和放热率未必表示出燃料喷射量和放热率的相对量。
首先，图3说明预混合燃烧模式区域A中的燃料喷射模式的实例（图的顶部），以及气缸2中的放热率的结果变化过程（图的底部）。在预混合燃烧模式区域A中，如上所述，在压缩冲程中（在压缩上死点之前）彼此间隔预定时间间隔地进行三次燃料喷射，从而在较早时刻喷射的燃料喷射量较大，在较晚时刻喷射的燃料喷射量较小。
这样做是通过及早喷射尽可能多的燃料以增加燃料的预混合能力。在预混合燃烧模式区域A中的燃料喷射的次数不局限于三个，而可以任意地设定。因此，在燃料彻底地与空气混合的状态下，喷射的燃料通过在压缩上死点附近点燃而燃烧（PCI燃烧）。在低引擎负载和低引擎转速区域，这种预混合燃烧模式在燃料消耗和废气排放方面是有益的。
图4说明在较近的两个阶段的扩散燃烧模式区域B中的燃料喷射模式的实例（图的顶部）和气缸2中的放热率的结果变化过程（图的底部）。如上所述，在区域B中进行两次燃料喷射，即靠近压缩上死点的主喷射，和在主喷射之前的预喷射。此处，主喷射和预喷射（预先喷射）的喷射时刻间隔彼此相对接近，由此区域B中的扩散燃烧模式称为较近的两个阶段的扩散燃烧模式。
预喷射是用于通过抑制在主燃烧期间伴随主喷射的放热率的突然增加来减少燃烧噪声的喷射。通过紧接着在压缩上死点之前进行，基本上，预喷射的全部燃料喷雾进入活塞3的顶面的腔体31。由于伴随预喷射的预先燃烧开始，使得气缸2中的温度上升，并且将点火延迟缩短至进行主喷射的时间。主喷射的点火延迟的这种缩短使主燃烧变慢，从而有利于抑制放热率的突然增加。因此，能够减少燃烧噪声。
图5说明在三个阶段的扩散燃烧模式区域C中的燃料喷射模式的实例（图的顶部）和气缸2中的放热率的结果变化过程（图的底部）。在区域C中进行三次燃料喷射，如上所述，即，在压缩上死点附近的主喷射、主喷射之前的预喷射、和在压缩冲程的后半部分中与预喷射相距一定间隔的引导喷射。
通过在移除TDC的压缩冲程的后半部分进行引导喷射，增加燃料预混合能力。同样，至少部分喷射的燃料喷雾到达活塞3的腔体31外部，从而燃料喷雾能够在腔体31外与气缸中的空气混合。因此增强空气利用率。
同样，在一时刻进行预喷射，从而基本上所有的燃料喷雾进入腔体31，如上所述。该时刻能够与通过引导喷射喷射的燃料通过气缸2中的压缩而自动点燃的时刻重合。
在进行预喷射中时，由于通过预喷射喷射的燃料的汽化潜热，通过使气缸2中的预混合气体的温度下降，及/或通过加强伴随燃料喷射的气缸2中的气流，从而抑制在该时刻预混合气体的自动点燃。即，预喷射使引导喷射的点火延迟变长。
因此，通过预喷射喷射的燃料和通过引导喷射喷射的燃料在紧接着伴随主喷射的主燃烧之前接受预燃烧。然而，进行预燃烧，从而通过引导喷射预混合的燃料充分地前进，如上所述，通过预喷射喷射的燃料被增加到在其中具有提前预混合燃料的大气中。因此，燃烧时期相对较短，而放热率相对较高。
通过缩短在紧接着主燃烧之前的预燃烧的燃烧时期以及通过增加放热率，气缸2的内部具有容易点燃状态。从而，缩短通过进行主喷射而喷射的燃料的点火延迟。这样使得主燃烧变慢，并防止放热率的突然增加，这样有利于减少燃烧噪声。
从缩短通过主喷射的燃料的点火延迟的角度看，预燃烧中的放热率优选地设定为相对较高。然而，预燃烧中的过高的放热率会引起在预燃烧期间的燃烧噪声问题。因此，放热率优选地被限制成不大于预定放热率。因此，引导喷射和预喷射的燃料喷射量和喷射时刻优选地设定成实现在满足限制的放热率范围内的较高放热率。
区域B中的扩散燃烧模式和区域C中的扩散燃烧模式之间的比较表示：在区域B中，单独进行预喷射，作为在主喷射之前的预先喷射，而在区域C中，进行引导喷射和预喷射，都作为主喷射之前的预先喷射。
这是因为区域C是较高负载区域，也是通过主喷射中增加的燃料喷射量实质上会产生燃烧噪声的区域，而相反地，区域B是较低负载并且主喷射中的燃料喷射量较小从而基本不产生燃烧噪声。
并且，区域C是引擎主体1使用高频率的区域，特别是NVH性能可能存在问题的区域。因此在区域C可靠地减少燃烧噪声。通过简单地在区域C中进行引导喷射和预喷射而在区域B中只进行预喷射，以抑制在区域B中，在主燃烧期间的放热率突然增加，从而，能够将燃烧噪声减少到无问题水平。因此，通过省略引导喷射，能够提高燃料消耗性能。
图6说明扩散燃烧模式区域D的燃料喷射模式的实例（图的顶部）和气缸中的放热率的结果变化过程（图的底部）。如上所述，在扩散燃烧模式区域D中进行两次燃料喷射，即，引导喷射和压缩上死点附近的主喷射。
此处，主喷射和引导喷射（预先喷射）的喷射时刻间隔彼此较远，由此，区域D中的扩散燃烧模式称为较远的两个阶段的扩散燃烧模式。
区域D中的扩散燃烧模式和区域C中的扩散燃烧模式之间的比较表示：在区域D中，单独进行引导喷射，作为在主喷射之前的预先喷射，而在区域C中，进行引导喷射和预喷射，如上所述。
这是因为在区域D中需要较高扭矩，由此扭矩性能优先于NVH性能。具体而言，在区域D，由于引导喷射，部分燃料喷雾进入活塞3的腔体31，因此提高空气利用率和增加预混合能力。这样有利于增加燃料喷射量较大的工作区域中的扭矩。
下面将参考图7描述减少三个阶段的扩散燃烧模式区域C中的燃烧噪声的作用。
图7是在如上所述的扩散燃烧模式区域C中且在主喷射之前、作为预先喷射进行引导喷射和预喷射的情况下气缸2中的放热率变化过程（实例，图中的实线）与在作为预先喷射只进行引导喷射而不进行预喷射的情况下气缸2中的放热率的变化过程（比较实例，图中的虚线）之间的比较的示意图。图7中的上部分图表表示燃料喷射量的变化过程，其可以由例如喷射器中的控制气门的升程表示。
几何压缩比设定为14，EGR比设定为40%。此处，EGR比例被限定为（进气通道中的CO2的浓度（%）－大气中的CO2的浓度（%））／（排气中的CO2的浓度（%）－大气中的CO2的浓度（%））。
当进行引导喷射而不是预喷射时，在相对于主喷射相当早的时间点，通过引导喷射喷射的燃料自动点燃，并且开始预燃烧，如图中的虚线所示。从而，主燃烧之前的预燃烧呈现出更长的燃烧时期和更低的放热率。因此，主燃烧中的放热率呈现出突然增加，并且燃烧噪声更严重。这样能够导致通过主喷射的燃料的点火延迟更长。
相反地，通过在一时刻进行引导喷射和进行预喷射以抑制自动点燃，从而通过引导喷射喷射的燃料能够自动点燃。因此点火延迟被延长至紧接着主燃烧之前的时刻。
因此，通过引导喷射的提前预混合的燃料和通过预喷射增加的燃料在紧接着主燃烧之前的预燃烧期间被燃烧。因此，缩短燃烧时期并且放热率变得相对较高。
在当前实例的放热率变化过程中，预燃烧的峰值上升，然后暂时下降，之后主燃烧的峰值上升。抑制放热率的突然增加（图7中的实线的斜率比虚线的斜率更小），从而减少燃烧噪声。由于预燃烧中的更短燃烧期间和更高放热率，能够导致通过主喷射的燃料的点火延迟更短，并且主燃烧更慢。
具体而言，主喷射时刻设定成通过主燃烧的放热率的峰值时刻基本为MBT，换句话说，设定为在比较实例和实例中，通过主燃烧的放热率的峰值顶点一致。缩短通过主喷射的燃料的点火延迟，促使主燃烧峰值较早且以平缓坡度开始上升。
因此，假定由于在柴油引擎A中的气缸2中几何压缩比为15以下的较低压缩比，并且由于导入大量的EGR气体，在柴油引擎A中的气缸2中的燃烧条件不好，但是仍然在相对低速区域（区域C）中的部分负载区域、在适当时刻进行引导喷射和预喷射，作为在主喷射之前的预先喷射。因此，通过主喷射喷射的燃料的点火延迟被缩短，从而抑制通过主燃烧的放热率突然增加。
因此，减少燃烧噪声。尤其，区域C是具有较高的所谓的使用频率的常规使用区域。因此，减少燃烧噪声有利于提高引擎主体1的NVH性能。
并且，在低负载侧靠近区域C的区域B中，作为预先喷射禁止引导喷射而只进行预喷射将有利于燃料消耗，并且防止NVH性能损失。同时，通过在区域D作为预先喷射禁止预喷射而只进行引导喷射，能够提高扭矩性能，该区域D中NVH不是最重要的问题，并且区域D是在高负载侧靠近区域C的区域或者较高引擎速度一侧的区域。
在低负载侧比区域B更远的区域A处进行PCI燃烧，在燃料消耗和排放方面是有益的。在区域A中，主喷射可以在用于扩散燃烧的压缩上死点附近进行。在这种情况下，压缩冲程中的预先喷射的燃料喷射比例优选地设定为较高。
本发明的概述：
本发明的技术是在广义上集中在通过控制几何压缩比为15以下的较低压缩比的柴油引擎处于相对难点燃条件时的燃料喷射模式，来提高气缸中的燃烧模式的可控性的技术。具体而言，本发明的目的在于：通过设定在压缩上死点附近执行主喷射之前的、引导喷射和预喷射的适当喷射时刻，来使燃烧模式变慢，特别是使伴随主喷射的主燃烧变慢，以便防止放热率的突然增加，从而改善NVH性能。
为了实现上述目的，本发明是一种用于汽车的柴油引擎，包括：引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；和喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；其中，在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料；其中，
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
在用于汽车的、几何压缩比为15以下的较低压缩比的柴油引擎的上述结构中，在引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，执行压缩上死点附近喷射燃料的主喷射，并且，在主喷射之前的压缩冲程中的预定时刻执行引导喷射和预喷射的两次燃料喷射。因此，在紧接着主燃烧前的预燃烧时期可以被缩短，在该时期中的放热率相对较高，并且可以通过缩短主喷射的点火延迟，使主燃烧变慢。因此，减少燃烧噪声，从而改善NVH性能。
具体而言，本文公开的柴油引擎包括：引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；和喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式。
在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行：主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和预先喷射，在所述主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料；其中，所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射：引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。在此，引擎主体的几何压缩比可以设定在例如12到15的范围。
根据该结构，在引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，例如将引擎的工作区域划分成低、中、和高的三个负载区域时的中负载区域，执行在压缩上死点附近喷射燃料的主喷射，和在主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料的预先喷射，其中低负载区域对应于0到1/3WOT，中等负载区域对应于1/3到2/3WOT，高负载区域对应于2/3到3/3WOT。注意，“WOT”代表大开节气门（100%开启节气门）。作为预先喷射，执行两次燃料喷射，即引导喷射和预喷射。上述中的引导喷射是燃料喷射，该燃料喷射在较早时刻进行喷射，以便至少部分燃料喷雾达到活塞的腔体的外部（换句话说，不是所有的燃料喷雾都到达并进入腔体），并且燃料喷雾能够在腔体外部与气缸中的空气混合。因此，能够提高空气利用率和燃料预混合能力。
相反地，预喷射是燃料喷射，该燃料喷射中，在引导喷射之后但在主喷射之前喷射燃料。预喷射时刻可以是基本上所有的燃料喷雾已经进入腔体的时刻。较佳的预喷射时刻与一个时刻重叠，从而通过引导喷射喷射的燃料能够随着气缸中的压缩而点燃。这样，由于通过预喷射喷射的燃料的汽化潜热使预混合气体的温度下降，及/或通过加强随着燃料喷射的气缸中的气流，以抑制在该时刻点燃通过引导喷射喷射的燃料。即，预喷射是用于延长通过引导喷射喷射的燃料的点火延迟的喷射。
通过预喷射喷射的燃料，与通过引导喷射喷射的燃料一起在主燃烧之前燃烧（预燃烧）。在这样的预燃烧中，由于引导喷射而提前预混合的燃料与通过预喷射的燃料的另外喷射相结合。从而，能够缩短燃烧时期，并且使放热率相对较高。在具有该特征的预燃烧中，通过在进行主喷射时刻气缸内部的温度充分上升，可燃性能够保持在适当高状态。因此，通过主喷射的燃料的点火延迟被缩短，从而能够使主燃烧变慢。即，通过抑制放热率在主燃烧期间突然增加，能够减少燃烧噪声。预喷射是用于与引导喷射相结合以缩短主喷射中的点火延迟的喷射。
上述柴油引擎是几何压缩比被设定为15以下的、较低压缩比的柴油引擎。因此，预燃烧的燃烧模式能够通过控制引导喷射和预喷射时刻进行控制。主燃烧的燃烧模式也同样被控制，这样在减少燃烧噪声和改善NVH性能方面是有益的。
柴油引擎可以进一步包括：EGR量控制单元，用于调节所述气缸中的EGR气体量；其中，所述EGR量控制单元至少在所述特定区域将EGR气体导入所述气缸中。
在几何压缩比被设定为15以下的实际情况下，通过将EGR气体导入气缸中的特定区域，使气缸中的可燃性降低。相反地，通过控制引导喷射和预喷射，增强预燃烧和主燃烧的燃烧模式的可控性。即，上述结构在减少燃烧噪声和改善NVH性能方面更有益。
所述EGR量控制单元可以通过控制所述引擎主体中的进气门和排气门的至少其中之一的工作，来调节内部EGR气体量。在进气冲程期间，例如，进行所谓的排气双开门，其中排气门再度打开，导致大量的EGR气体被导入气缸中，并且能够进一步增强上述燃烧模式的控制精确性。
在所述相对低速侧的工作区域内的邻接于所述特定区域低负载侧的第二特定区域，所述喷射控制单元可以禁止作为所述预先喷射的所述引导喷射，而执行所述预喷射。
在比上述特定区域更低的低负载侧的区域（第二特定区域）中，由于相对较低负载，能够减少主喷射中的燃料喷射量。因此，能够预先抑制放热率在主燃烧期间突然增加。这样在燃烧噪声方面是有益的，并且即使没有进行引导喷射，而只进行预喷射，也可以获得期望NVH性能。
在所述相对低速侧的工作区域内的比所述第二特定区域更低负载侧的工作区域，所述喷射控制单元可以相对于所述主喷射的燃料喷射比例增大所述预先喷射的燃料喷射比例。在此，“相对于所述主喷射的燃料喷射比例增大所述预先喷射的燃料喷射比例”之特征包括只进行预先喷射而没有进行主喷射的情况（换句话说，将主喷射的燃料喷射比例设定成零）。
燃烧稳定性在低负载侧的比上述第二特定区域更远的工作区域上较低。因此，较佳地，通过增加预先喷射的燃料喷射比例，以增强预混合能力，从而增加燃烧稳定性。并且，从燃料消耗和排出的角度看，在该工作区域中进行所谓的预混合压缩点火燃烧，即只实施预先喷射而不实施主喷射是更有益的。
在比所述特定区域更高负载侧的工作区域，或在相对高速侧的工作区域，所述喷射控制单元可以禁止作为所述预先喷射的所述预喷射，而执行所述引导喷射。
比所述特定区域更高负载侧的工作区域或相对高速侧的工作区域是NVH性能不可能存在问题的区域。因此，禁止作为预先喷射预喷射，并只执行引导喷射，该预喷射是可以有效地减少燃烧噪声的喷射。如上所述，通过部分燃料喷雾到达腔体外部，引导喷射增加空气利用率。这样有利于增加高速侧或高负载侧的工作区域的扭矩，在该区域燃料喷射量相对地增加。
本发明的另一方面涉及一种用于汽车的柴油引擎的控制装置，
其中，所述柴油引擎包括：引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；和燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；
所述控制装置包括：喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；
其中，在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料；其中，
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
在具有上述结构的用于汽车的、几何压缩比为15以下的较低压缩比的柴油引擎的控制装置中，在引擎主1升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，执行在压缩上死点附近喷射燃料的主喷射，并且，在主喷射之前的压缩冲程中的预定时刻执行两次燃料喷射，即引导喷射和预喷射。因此，在紧接着主燃烧前的预燃烧时期被缩短，在该时期中的放热率相对较高，并且可以通过缩短主喷射的点火延迟，使主燃烧变慢。因此，减少燃烧噪声，从而改善NVH性能。
本发明还涉及一种用于汽车的柴油引擎的控制方法，其中所述柴油引擎包括：引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；和喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；所述控制方法包括以下步骤：
在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行以下喷射的步骤：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射步骤之前的压缩冲程中喷射燃料；以及
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射的步骤：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
在具有上述结构的用于汽车的柴油引擎的控制方法中，其中引擎是几何压缩比为15以下的较低压缩比的引擎，在引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，执行在压缩上死点附近喷射燃料的主喷射，并且，在主喷射之前的压缩冲程中的预定时刻执行两次燃料喷射，即引导喷射和预喷射。因此，在紧接着主燃烧前的预燃烧时期将被缩短，在该时期中的放热率相对较高，并且可以通过缩短主喷射的点火延迟，使主燃烧变慢。因此，减少燃烧噪声，从而改善NVH性能。

Claims (8)

1.一种用于汽车的柴油引擎，其特征在于，包括：
引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；
燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；和
喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；
其中，在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料；其中，
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
2.如权利要求1所述的用于汽车的柴油引擎，其特征在于，进一步包括：
EGR量控制单元，用于调节所述气缸中的EGR气体量；
其中，所述EGR量控制单元至少在所述特定区域将EGR气体导入所述气缸中。
3.如权利要求2所述的用于汽车的柴油引擎，其特征在于，
所述EGR量控制单元通过控制所述引擎主体中的进气门和排气门的至少其中之一的工作，来调节内部EGR气体量。
4.如权利要求1所述的用于汽车的柴油引擎，其特征在于，
在所述相对低速侧的工作区域内的邻接于所述特定区域低负载侧的第二特定区域，所述喷射控制单元禁止作为所述预先喷射的所述引导喷射，而执行所述预喷射。
5.如权利要求4所述的用于汽车的柴油引擎，其特征在于，
在所述相对低速侧的工作区域内的比所述第二特定区域更低负载侧的工作区域，所述喷射控制单元相对于所述主喷射的燃料喷射比例增大所述预先喷射的燃料喷射比例。
6.如权利要求1所述的用于汽车的柴油引擎，其特征在于，
在比所述特定区域更高负载侧的工作区域，或在相对高速侧的工作区域，所述喷射控制单元禁止作为所述预先喷射的所述预喷射，而执行所述引导喷射。
7.一种用于汽车的柴油引擎的控制装置，其特征在于，
所述柴油引擎包括：
引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；和
燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；
所述控制装置包括：
喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；
其中，在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射之前的压缩冲程中喷射燃料；其中，
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
8.一种用于汽车的柴油引擎的控制方法，其特征在于，
所述柴油引擎包括：
引擎主体，安装在汽车中，被供应以柴油为主要成分的燃料，并且，嵌插于气缸内的活塞在上死点和下死点之间进行往复运动时的几何压缩比被设定为15以下；
燃料喷射气门，布置成面向所述气缸内，并且将所述燃料直接喷射到所述气缸内；和
喷射控制单元，用于控制通过所述燃料喷射气门向所述气缸喷射所述燃料的喷射模式；
所述控制方法包括以下步骤：
在所述引擎主体升温时，在相对低速侧的工作区域内的预定负载的特定区域，所述喷射控制单元执行以下喷射的步骤：
主喷射，在压缩上死点附近喷射燃料；和
预先喷射，在所述主喷射步骤之前的压缩冲程中喷射燃料；以及
所述喷射控制单元执行以下喷射作为所述预先喷射的步骤：
引导喷射，在一个时刻喷射燃料，以使至少部分燃料喷雾到达凹陷在所述活塞顶面的腔体的外部；和
预喷射，在所述引导喷射之后的预定时刻喷射燃料，以抑制点燃通过所述引导喷射所喷射的燃料并且缩短通过所述主喷射所喷射的燃料的点火延迟。
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