CN103764982A - 燃料喷射控制装置 - Google Patents

Abstract

在均质燃烧时从进气冲程至压缩冲程为止进行1次或多次燃料喷射的缸内直接喷射火花点火式内燃机（1）的燃料喷射控制装置中，基于伴随燃料喷射而在缸内产生的压力振动的基于缸内容积确定的频率，计算对应于压力振动而填充效率提高的燃料喷射定时，在该燃料喷射定时进行某一次燃料喷射。

Description

燃料喷射控制装置

技术领域

本发明涉及一种内燃机的燃料喷射控制装置。

背景技术

作为向缸内直接喷射燃料的火花点火式内燃机的燃料喷射控制，已知一种将要求燃料喷射量分为多次而进行喷射的多段喷射。例如，在JP2008-31932A中，在进行多段喷射时，禁止在活塞速率较快期间进行喷射。由此，防止滚流被破坏，利用缸内流动实现缸内混合气体的均匀性的提高。

发明内容

在缸内直接喷射火花点火式内燃机的情况下，因燃料喷射而在缸内会发生压力振动。并且，与该压力振动对应而填充效率会周期性地变动。

但是，在JP2008-31932A中并未提及燃料喷射定时与压力振动的关系。因此，在JP2008-31932A的燃料喷射装置中，有可能在填充效率相对较低的定时喷射燃料。

因此，本发明的目的在于，对于进行多段喷射的缸内直接喷射火花点火式内燃机，提供一种可以实现填充效率提高的燃料喷射控制装置。

为了实现上述目的，本发明是一种缸内直接喷射火花点火式内燃机的燃料喷射控制装置，该缸内直接喷射火花点火式内燃机在均质燃烧时，从进气冲程至压缩冲程为止进行1次或多次燃料喷射。并且，其特征在于，基于伴随燃料喷射而在缸内产生的压力振动的基于缸内容积确定的频率，计算因压力振动而填充效率提高的燃料喷射定时，在该燃料喷射定时进行某一次燃料喷射

本发明的详细内容及其它特征和优点，在说明书以下的记载中说明，并且在附图中示出。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式涉及的缸内直接喷射火花点火式内燃机的结构图。

图2是表示填充效率与燃料喷射定时的关系的图。

图3是表示缸内平均压力与燃料喷射定时的关系的图。

图4是表示缸内入口处的进气流量与燃料喷射定时的关系的图。

图5是表示填充效率与燃料喷射定时的关系的图。

图6是表示控制器所执行的第1实施方式的燃料喷射控制的流程的流程图。

图7是基于内燃机转速和负载而设定喷射次数的对应图。

图8是表示每个负载区域的燃料喷射定时的图

图9是表示控制器所执行的第2实施方式的燃料喷射控制的流程的流程图。

图10是表示3段喷射或2段喷射的第1段燃料喷射定时的对应图。

图11是表示3段喷射或2段喷射的第2段燃料喷射定时的对应图。

图12是表示3段喷射的第3段燃料喷射定时的对应图。

具体实施方式

（第1实施方式）

图1是表示本发明的第1实施方式涉及的缸内直接喷射火花点火式内燃机（以下简称为“内燃机1”）1的一个气缸的结构图。

内燃机1包含气缸盖1A和气缸体1B而构成。在设置于气缸体1B的气缸11中，可往复移动地收容活塞10。由气缸11的壁面、活塞10的顶冠面、气缸盖1A的下表面分隔成燃烧室14。

在气缸盖1A上形成进气通路2及排气通路3。进气通路2及排气通路3均向燃烧室14开口，各个开口部利用进气阀6、排气阀7开闭。进气阀6、排气阀7分别由进气凸轮轴4、排气凸轮轴5驱动。此外，进气凸轮轴4具有可变更阀定时的可变阀机构。

此外，在气缸盖1A上，朝向燃烧室14而设置火花塞8和燃料喷射阀9。

在进气通路2上安装集气箱13，在集气箱13的进气流动上游侧，配置节流阀12。

节流阀12的开度控制、燃料喷射阀9的喷射定时、喷射量等燃料喷射控制以及火花塞8的点火时间控制，由控制器20执行。

控制器20基于加速器开度传感器21及曲轴角传感器22等的检测信号执行上述各控制。控制器20由具有中央运算装置（CPU）、读取专用存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）及输入输出接口（I/O接口）的微型计算机构成。也可以使控制器20由多个微型计算机构成。

在上述结构的内燃机1中，控制器20例如对应于内燃机转速和负载等运转状态，设定目标燃料喷射量，进而设定用于喷射目标燃料喷射量的喷射次数、各喷射的定时。

在进行均质燃烧的情况下，为了提高缸内的混合气体的均匀度等，已知将每一个循环的目标燃料喷射量分为多次而进行喷射的多段喷射。在单段喷射的情况下，为了提高均匀度，优选使燃料雾化而与空气混合的时间变长，即，在接近进气上止点的曲轴角喷射燃料。但是，如果在接近进气上止点的曲轴角进行燃料喷射，则直至火花点火的时间变长，因燃料气化时的吸热反应而得到的冷却效果下降。即，在单段喷射的情况下，均匀度提高效果与冷却效果处于此消彼长的关系。对于这一点，利用多段喷射，通过将多个燃料喷射定时中的两个设定为接近进气上止点的定时和接近点火时间的定时，从而可以实现均匀度提高和冷却效果的并存。

燃料喷射定时还与填充效率存在相关性。例如，在3段喷射的情况下，如果为了实现均匀度提高和冷却效果的并存而将3次燃料喷射中的2次设定为上述定时，则根据其余的燃料喷射定时而填充效率会发生变化。在这里，对于填充效率与燃料喷射定时的关系进行说明。

图2是表示填充效率与燃料喷射定时的关系的图。纵轴表示填充效率（%），横轴表示燃料喷射定时（deg.CA），TDC表示进气上止点，IVC表示进气阀关闭定时。

测定IT1—IT5的5个模式的燃料喷射定时下的填充效率，如图2所示，填充效率从IT1至IT3而逐渐降低，在IT4处上升。并且，在接近进气阀关闭时间的IT5处再次降低。

这种填充效率增减的周期，认为是由燃料喷射产生的压力振动引起的。

图3是表示缸内平均压力与燃料喷射定时的关系的图。纵轴表示在进行燃料喷射的情况下和不进行燃料喷射的情况下的缸内平均压力（Pa）的差量，横轴表示曲轴角（deg.CA）。TDC表示进气上止点，IT1—IT5分别表示在图2的IT1—IT5的燃料喷射定时进行燃料喷射的情况。

图4是表示缸内入口处的进气流量与燃料喷射定时的关系的图。纵轴表示在进行燃料喷射的情况下和不进行燃料喷射的情况下的缸内入口处的进气流量（m³/s）的差量，横轴表示曲轴角（deg.CA）。TDC表示进气上止点，IT1—IT5分别表示在图2的IT1—IT5的燃料喷射定时进行燃料喷射的情况。

如图3所示，在任一个燃料喷射定时进行喷射的情况下，伴随燃料喷射而缸内平均压力均比不进行燃料喷射的情况下相比更低。认为这是由于喷射后的燃料的气化潜热将缸内冷却。

并且，如图4所示，伴随该缸内平均压力的降低，缸内入口的进气流量增加。然后，重复进行伴随进气流量增加的缸内压力的增大、和伴随缸内压力增大的进气流量的减少。由此，因燃料喷射在缸内产生压力振动，缸内入口处的进气流量也振动。此外，在IT5的情况下，由于直至进气阀关闭定时的时间较短，因此缸内压力和进气流量几乎不振动。

如果将图3与图2相比较，则在填充效率降低的燃料喷射定时即IT3的情况下，缸内入口处的进气流量的增减周期与从燃料喷射开始至进气阀关闭定时为止的曲轴角一致。

图5是与图2同样地表示填充效率与燃料喷射定时的关系的图，表示对于比图2更多的燃料喷射定时进行测定的结果。此外，图中实线A、B分别表示阀定时不同的情况、即进气阀关闭定时不同的情况。此外，实线B的IT1—IT5相当于图2的IT1—IT5。

如图5所示，填充效率的增减存在周期性，IT3处于增减曲线的谷底。并且，如果进气阀关闭定时变化，则填充效率的增减曲线的峰谷位置发生错位，但从峰顶至下一个峰顶的周期（图5中为T1）不变化。

因此，如果在不处于填充效率的增减周期的谷底、且缸内入口处的进气流量增多的定时喷射燃料，则可以提高填充效率。

此外，由于缸内入口处的进气流量增多，是指向缸内流入的进气流速增高，因此还实现缸内流动的强化。但是，在以缸内流动强化为目的的情况下，优选进气流量振动的峰顶更接近进气阀关闭定时。这是由于，如果接近进气阀关闭定时，则直至点火定时为止的时间缩短，因此可以在维持缸内流动的状态下点火。

此外，在具有滚流控制阀或涡流控制阀这种进气流动装置的情况下，因进气流动装置的状态而填充效率提高的定时也变化，因此，必须针对进气流动装置的每个状态，测定填充效率提高的定时。

下面，对于燃料喷射控制进行说明。

图6是表示由控制器20执行的燃料控制流程的流程图。该控制流程例如以10毫秒程度的较短周期重复执行。以下，按照步骤进行说明。

在步骤S100中，控制器20读入内燃机转速及要求负载。内燃机转速是基于曲轴角传感器22的检测值而运算出的值。要求负载是基于加速器开度传感器21的检测值而运算出的值。均只要利用公知的方法运算即可。

在步骤S110中，控制器20设定目标燃料喷射量及喷射次数。目标燃料喷射量与公知的燃料喷射控制同样地，基于内燃机转速和负载，通过对应图检索等而设定，喷射次数例如如图7所示，预先生成基于内燃机转速和负载而设定喷射次数的对应图，通过检索该对应图而进行设定。

在步骤S120中，控制器20读入阀定时。具体地说，读入进气阀关闭定时。由于控制器20也进行可变阀机构的控制，因此只要读入当前的阀定时即可。

在步骤S130中，控制器20对最佳喷射定时进行运算。首先，利用式（1）对上述填充效率的从峰顶至峰顶的周期T_CA进行计算。

[数1]

$T\_\mathrm{CA}=B\×\mathrm{Ne}\×\frac{\sqrt{l\×V}}{d}...\left(1\right)$

此外，B是常数，l是从集气箱13出口至缸内入口的端口长度，D是该端口的平均直径，V是燃料喷射时的缸内容积。

该式是将通过计算亥姆霍兹共振器的共振频率的式（2）计算出的频率变换为周期（deg.CA）而得到的。

[数2]

$f=\frac{C}{2\mathrm{\π}}\×\sqrt{\frac{S}{l\×V}}...\left(2\right)$

此外，C是音速，S是上述端口的剖面积。

然后，使用周期T_CA，利用式（3）计算处于填充效率的振动周期的峰顶时的燃料喷射定时IT_ηc。

[数3]

IT_η_c=IVC-α×T_CA-A×Ne...(3)

此外，α=0.5、1.5、2.5、…，A是常数。

在步骤S140中，控制器20对应于在步骤S110中设定的喷射次数，设定各燃料喷射的定时。以下，对于每个负载区域，对燃料喷射定时的设定进行说明。此外，作为各燃料喷射的喷射量，例如在3段喷射的情况下是将目标喷射量三等分的量，在2段喷射的情况下使第1次的喷射量和第2次的喷射量的比为7比3。

（低中负载区域）

在可以将点火时间设为最佳点火时间（MBT）的低中负载区域，如图8（A）所示设定燃料喷射定时。即，作为第1次燃料喷射定时，为了提高均匀度，尽可能设定在提前角侧、例如40至90（degATDC）。为了提高缸内的均匀度，燃料喷射定时优选尽可能为提前角侧。但是，在上止点附近设定有爆震判定窗口，如果在该窗口内进行燃料喷射，则有可能因伴随燃料喷射阀9动作的声音或振动而引起误判定。此外，还存在燃烧极限或排气烟雾极限等的制约。因此，通过基于这些制约而尽可能设定在提前角侧，从而设定上述的燃料喷射定时。

作为第2次燃料喷射定时，设定在从第1次燃料喷射开始隔着最小喷射间隔的定时。最小喷射间隔，根据燃料喷射阀9的机构上的制约，例如从上次的燃料喷射结束至下次的燃料喷射可开始的时间、从施加电压达到峰值至喷射开始的时间、最小喷射脉冲等而确定。在低中负载区域，吸入空气量相对较少，雾化后的燃料和空气难以混合，因此通过这样将第2次燃料喷射也尽可能设定在提前角侧，从而可以促使混合而提高均匀度。

作为第3次燃料喷射定时，通过设定为由式（3）确定的燃料喷射定时，从而实现缸内流动的强化。但是，由于在下止点附近也设定有爆震判定窗口，因此必须避开该窗口。

在2段喷射的情况下，选择上述第1次或第3次喷射定时中的某一次。这是由于，在不担心爆震发生的区域，通过均匀度提高和缸内流动强化，提高燃烧效率、等容度，改善燃料消耗性能。

（高负载区域）

在担心有可能发生爆震的高负载区域，设定如图8（B）所示的燃料喷射定时。即，第1次燃料喷射定时与低中负载区域同样地设定。

作为第2次燃料喷射定时，通过设定为由式（3）确定的燃料喷射定时，从而实现进气流量的增大。

作为第3次燃料喷射定时，设定为在燃料喷射的结束定时不处于下止点附近的爆震判定窗口的范围内，尽可能接近进气阀关闭定时的燃料喷射定时、例如140至240degATDC。通过使燃料喷射定时接近进气阀关闭定时，从而由燃料的气化潜热得到的冷却效果增大，有效地防止爆震。此外，具体的燃料喷射定时通过实验等预先求出。

在2段或2段以下的喷射的情况下，以均匀度提高的燃料喷射定时、冷却效果提高的燃料喷射定时、流动性提高的燃料喷射定时的优先顺序，设定燃料喷射定时。这是由于，在担心有可能发生爆震的区域，除了提高燃烧效率及等容度之外，还必须抑制爆震。

（全开区域）

在全开区域，设定如图8（C）所示的燃料喷射定时。即，第1次燃料喷射定时与低中负载区域同样地设定。

作为第2次燃料喷射定时，通过设定为由式（3）确定的燃料喷射定时，从而实现填充效率的提高。

作为第3次燃料喷射定时，与高负载区域同样地，设定为用于冷却效果的燃料喷射定时。

在2段及2段以下的喷射的情况下，按照用于提高填充效率的燃料喷射定时、用于冷却效果的燃料喷射定时、用于提高均匀性的燃料喷射定时的优先顺序，设定燃料喷射定时。这是由于，在全开区域，为了产生更大的扭矩，使提高填充效率最优先。

返回流程图的说明。

在步骤S140中如果设定了各燃料喷射定时，则在步骤S150中执行燃料喷射。

在内燃机中每个运转区域所需的效果会发生变化，但根据上述的控制流程，能够设定对于各个运转区域获得所需的效果的燃料喷射定时。

根据以上所述的本实施方式，根据缸内压力振动的频率计算使填充效率提高的燃料喷射定时，使多段喷射中的某一次喷射，在该燃料喷射定时进行燃料喷射。由此，可以实现填充效率的提高或缸内流动的强化。此外，由于该燃料喷射定时是根据进气流路直径、从集气箱至燃烧室入口的距离、燃烧室容积、进气阀关闭定时、以及内燃机转速而计算出的，因此可以通过简单的运算设定适当的燃料喷射定时。

此外，如果变更阀定时，则可以提高填充效率或强化缸内流动的燃料喷射定时也变化，但由于对应于运转状态对这些燃料喷射定时进行运算，因此在运转状态变化的过渡时也可以设定适当的燃料喷射定时。

根据运转状态而应优先的效果不同，但通过对应于运转状态，切换用于提高均匀度的燃料喷射定时、用于提高冷却效果的燃料喷射定时、以及用于提高填充效率的燃料喷射定时的组合，从而可以得到适当的效果。

在低中负载区域，设定为用于提高均匀度的燃料喷射定时或用于缸内流动强化的燃料喷射定时中的至少一个燃料喷射定时。通过在两个燃料喷射定时进行喷射，可以实现均匀度提高和缸内流动强化的并存。即使在喷射次数较少的情况下，也可以使某一个效果提高。

在高负载区域，按照用于提高均匀度的燃料喷射定时、用于提高冷却效果的燃料喷射定时、用于缸内流动强化的燃料喷射定时的优先顺序，设定燃料喷射定时。由此，不仅可以提高均匀度，还可以在有可能发生爆震的区域可靠地抑制爆震。

在全开区域，按照用于提高填充效率或强化缸内流动的燃料喷射定时、用于提高冷却效果的燃料喷射定时、用于提高均匀度的燃料喷射定时的优先顺序，设定燃料喷射定时。由此，在要求更高输出的区域，可以通过提高填充效率或强化缸内流动而提高输出。

（第2实施方式）

第2实施方式所适用的内燃机1的结构与第1实施方式相同。但是，与第1实施方式的不同点在于，将多段喷射的各燃料喷射定时预先制成对应图，对其检索而进行设定。因此，对于燃料喷射定时的设定流程进行说明。

图9是表示第2实施方式中由控制器20执行的燃料喷射控制的流程图。该控制流程例如以10毫秒程度的短周期重复执行。以下，按照步骤进行说明。

步骤S200、S210分别与图6的S100、S120相同，因此省略说明。

在步骤S220中，控制器20设定目标燃料喷射量及喷射次数，进而设定各燃料喷射定时。关于目标燃料喷射量和燃料喷射次数的设定，由于与图6的步骤S110相同，因此省略说明。

各燃料喷射定时的设定，使用预先生成的对应图进行。图10、图11、图12分别是用于设定第1次、第2次、第3次燃料喷射定时的对应图。均是纵轴为负载，横轴为内燃机转速。

图10的对应图是在图7的用于设定喷射次数的对应图上，分配作为第1次燃料喷射的、用于提高均匀度的燃料喷射定时而成的。如果使第1次燃料喷射定时为在第1实施方式中说明的范围内的例如60degATDC，则在3段喷射、2段喷射的任一个情况下，第1次燃料喷射定时均设定为60degATDC。

图11的对应图表示作为第2次燃料喷射的、用于提高填充效率或强化缸内流动的燃料喷射定时。在3段喷射的情况下，越朝向低转速侧，燃料喷射定时越偏向提前角侧。另一方面，在2段喷射的情况下，越朝向高转速侧，燃料喷射定时越偏向提前角侧。此外，在3段喷射的情况下，在低负载侧的气化燃料与空气难以混合的区域（图11中的S1），成为从上述的第1次喷射开始隔着最小喷射间隔的定时。

图12的对应图表示作为第3次燃料喷射的、用于提高冷却效果的燃料喷射定时。越朝向高转速侧，燃料喷射定时越偏向提前角侧。

如果在步骤S220中设定了各燃料喷射定时，则在步骤S230中执行燃料喷射。

通过如上所示使用对应图，可以以与第1实施方式相比更低的运算负载设定适于运转状态的各燃料喷射定时。

以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式不过是表示本发明的适用例的一部分，本发明的技术范围并不由上述实施方式的具体结构限定。

本申请基于2011年7月28日向日本专利厅申请的特愿2011-165595并主张优先权，该申请的全部内容通过参照编入本说明书中。

Claims (8)

1.一种缸内直接喷射火花点火式内燃机（1）的燃料喷射控制装置，该内燃机在均质燃烧时，从进气冲程至压缩冲程为止进行1次或多次燃料喷射，其中，

基于伴随燃料喷射而在缸内产生的压力振动的频率，计算对应于所述压力振动而使填充效率提高的燃料喷射定时，在该燃料喷射定时进行某一次燃料喷射，上述压力振动的频率是基于缸内容积而确定的。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射控制装置，其中，

根据进气通路直径、从集气箱（13）至燃烧室（14）入口为止的距离、燃烧室容积、进气阀关闭定时、及内燃机转速，计算使所述填充效率提高的燃料喷射定时。

3.根据权利要求2所述的燃料喷射控制装置，其中，

具有预先计算并生成的使所述填充效率提高的燃料喷射定时的对应图，通过对应于运转状态而检索所述对应图，从而设定燃料喷射定时。

4.根据权利要求2所述的燃料喷射控制装置，其中，

通过对应于运转状态而对使所述填充效率提高的燃料喷射定时进行运算，从而设定燃料喷射定时。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的燃料喷射控制装置，其中，

对应于运转状态，切换用于使缸内的混合气体的均匀度提高的燃料喷射定时、用于使由燃料的气化潜热得到的冷却效果提高的燃料喷射定时、以及用于使所述填充效率提高的燃料喷射定时的组合。

6.根据权利要求5所述的燃料喷射控制装置，其中，

在所述缸内直接喷射火花点火式内燃机（1）处于低中负载区域的情况下，设定为用于使所述均匀度提高的燃料喷射定时、或用于使所述填充效率提高的燃料喷射定时中的至少一个燃料喷射定时。

7.根据权利要求5或6所述的燃料喷射控制装置，其中，

在所述缸内直接喷射火花点火式内燃机（1）处于高负载区域的情况下，按照用于使所述均匀度提高的燃料喷射定时、用于使由所述燃料的气化潜热得到的冷却效果提高的燃料喷射定时、用于使所述填充效率提高的燃料喷射定时的优先顺序，设定燃料喷射定时。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的燃料喷射控制装置，其中，

在所述缸内直接喷射火花点火式内燃机（1）处于全开运转的情况下，按照用于使所述填充效率提高的燃料喷射定时、用于使由所述燃料的气化潜热得到的冷却效果提高的燃料喷射定时、用于使所述均匀度提高的燃料喷射定时的优先顺序，设定燃料喷射定时。

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