CN105189978A - 内燃机的控制装置以及控制方法 - Google Patents

Abstract

内燃机(1)具有利用了多连杆式活塞曲柄机构的可变压缩比机构(2)，并且具有向缸内喷射燃料的燃料喷射阀(8)。可变压缩比机构(2)通过使活塞(24)的上止点位置上下变化从而变更压缩比。在高负载时，燃料喷射期间变长，但在本发明中，在高负载时目标压缩比为低压缩比，并且燃料喷射开始定时在排气上止点前，以使得燃料喷射期间跨越排气上止点。在低压缩比时(特性b)，在上止点附近的活塞(24)的冠面和燃料喷射阀之间的距离如标号H所述地扩大，因此即使在上止点附近进行喷射也不会发生烟雾恶化，能够跨越上止点而将喷射期间设为较长。因此，能够利用喷射率较小的燃料喷射阀。

Description

内燃机的控制装置以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种直接向燃烧室内喷射燃料，并利用火花塞对所生成的混合气进行点火的内燃机，尤其涉及一种具有可变压缩比机构的内燃机的控制装置以及控制方法。

背景技术

作为对内燃机的机械性压缩比进行变更的可变压缩比机构，当前已知有各种形式的机构。例如，由本申请人提出了多个通过对多连杆式活塞曲柄机构的连杆几何结构进行变更而使活塞上止点位置沿上下位移的可变压缩比机构。此外，也公知有通过相对于曲轴的中心位置使气缸的位置沿上下位移，从而同样地使机械性压缩比变化的可变压缩比机构。

另一方面，公知如下的缸内直喷式的火花点火内燃机，其面向燃烧室内而配置燃料喷射阀，向缸内直接喷射燃料。在如上所述的缸内直喷式的内燃机中，如在专利文献1中记载那样，尤其在高负载区域等中设为均质燃烧时，在进气行程中进行燃料喷射。如上所述，在进气行程中设定的燃料喷射期间是与燃料喷射量成正比的实际时间基准的期间，因此越是高速高负载，曲轴转角越长，如果燃料喷射阀的喷射率(每单位时间的喷射量)较小，则在高速高负载区域中直至比进气下止点靠后为止，燃料喷射都不会结束，燃料的气化、混合恶化。

专利文献1针对如上所述的问题，在高速高负载区域中使一对进气阀的升力特性产生差异，生成涡旋，从而促进燃料的气化以及混合。

此处，在专利文献1中，公开了将高负载区域中的燃料喷射开始定时正好设为排气上止点(也称为进气上止点)的例子，但如果如上所述地在排气上止点处开始燃料喷射，则喷射出的燃料会与活塞碰撞而附着，成为高负载区域中产生烟雾的主要原因，因此通常在比排气上止点稍微延迟的定时开始燃料喷射。

如在上述专利文献1中所记载的那样，如果在高负载时使燃料喷射结束定时过度延迟，则无法确保燃料喷雾的气化以及混合所需的时间，燃烧发生恶化。另一方面，如果使燃料喷射开始定时靠近排气上止点，则由于燃料向活塞碰撞、附着而烟雾增大。因此，燃料喷射阀的喷射率不得不确保为一定程度上较大，但如果燃料喷射阀的喷射率较大，则在燃料喷射量较少时，喷射期间(即燃料喷射阀的开期间)过短，计量精度降低。

专利文献1：日本特开2003－106177号公报

发明内容

本发明的目的在于，能够以与如专利文献1所述的气化及混合促进方式不同的方式，应对高负载区域中的比较长的喷射期间，将燃料喷射阀的喷射率设定为比较小。

本发明是一种内燃机的控制装置，其具有通过使活塞和气缸的相对的位置关系变化而将机械性压缩比设为可变的可变压缩比机构，并且具有向燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀，

在该内燃机的控制装置中，在至少包含全开的内燃机高负载区域中，将压缩比控制为低压缩比，并且将燃料喷射开始定时设为排气上止点前，以使得燃料喷射期间跨越排气上止点。

进一步优选，上述可变压缩比机构由多连杆式活塞曲柄机构构成，并且以与同一行程的单连杆式活塞曲柄机构相比较，在上止点附近的活塞上升速度减小的方式设定连杆几何结构。

在本发明中，在与燃料喷射量相对应的燃料喷射期间变长的高负载区域中，通过可变压缩比机构得到的压缩比成为低压缩比，因此，上止点处的活塞的位置(相对于气缸的位置)与高压缩比时相比降低。即，在气缸侧配置的燃料喷射阀和活塞冠面之间的距离与高压缩比时相比扩大。因此，在排气上止点附近从燃料喷射阀喷射燃料时，抑制向活塞冠面碰撞、附着。

因此，即使将燃料喷射开始定时设为排气上止点前，以使得燃料喷射期间跨越排气上止点，也不易产生烟雾，并且无需使燃料喷射结束定时过度延迟，而能够容许比较长的喷射期间。因此，能够利用喷射率较小的燃料喷射阀。

此外，作为上述可变压缩比机构，在使用在上止点附近处的活塞上升速度较小的多连杆式活塞曲柄机构的情况下，相对于喷雾的活塞的相对速度减小，因此，与活塞冠面的碰撞进一步得到缓和，在烟雾抑制方面更加有效。

根据本发明，在高负载时无需使燃料喷射结束定时过度延迟，而能够容许比较长的喷射期间，能够利用喷射率较小的燃料喷射阀。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施例所涉及的控制装置的系统结构的结构说明图。

图2是表示本实施例中的控制的流程的流程图。

图3是将本实施例中的活塞行程的特性以及能够喷射期间与对比例相比较而表示的特性图。

具体实施方式

下面，基于附图详细地说明本发明的一个实施例。

图1表示使用本发明的汽车用内燃机1的系统结构。该内燃机1例如是具有利用了多连杆式活塞曲柄机构的可变压缩比机构2的四冲程的带涡轮增压器的缸内直喷式火花点火内燃机，在该内燃机1中，在燃烧室3的顶壁面上配置有一对进气阀4以及一对排气阀5，并且，在由这些进气阀4以及排气阀5包围的中央部配置有火花塞6。

在利用上述进气阀4开闭的进气口7的下方配置有向燃烧室3内直接喷射燃料的燃料喷射阀8。上述燃料喷射阀8是通过施加驱动脉冲信号而开阀的电磁式或压电式的喷射阀，喷射与该驱动脉冲信号的脉冲宽度实质上成正比的量的燃料。在图示的例子中，将燃料喷射阀8配置为朝向斜下方喷射燃料。

在与上述进气口7连接的进气通路18的集气部18a上游侧，安装有利用来自发动机控制器9的控制信号控制开度的电子控制型节流阀19，此外，在该电子控制型节流阀19的上游侧配置有涡轮增压器的压缩机20。在该压缩机20的上游侧配置有对吸入空气量进行检测的空气流量计10。

上述排气阀5具有能够对该排气阀5的开闭定时进行可变控制的排气侧可变阀机构41。该可变阀机构41可以是能够使开定时以及闭定时各自独立地变更的机构，也可以是具有将开定时以及闭定时同时延迟/提前的结构的机构。在本实施例中，使用使排气侧凸轮轴42相对于曲轴21的相位延迟/提前的后者的形式的机构。另外，也可以是进气阀4也具有同样的可变阀机构。

此外，在与排气口11连接的排气通路12上安装有由三元催化器构成的催化装置13，在该催化装置13的上游侧配置有对空燃比进行检测的空燃比传感器14。

向上述发动机控制器9输入下述传感器类的检测信号，该传感器除了上述的空气流量计10、空燃比传感器14之外，还包括用于检测内燃机转速的曲轴转角传感器15、对冷却水温进行检测的水温传感器16、对由驾驶员操作的加速器踏板的踏入量进行检测的加速度开度传感器17等。发动机控制器9基于这些检测信号，将通过燃料喷射阀8的燃料喷射量以及喷射定时、通过火花塞6的点火定时、节流阀19的开度、排气阀5的开闭定时等控制为最佳。

此处，上述燃料喷射阀8的喷射量除了一部分的运转区域之外，利用基于上述空燃比传感器14的检测信号进行的公知的空燃比反馈控制，将理论空燃比作为目标而进行控制。即，基于空燃比传感器14的检测信号而运算出空燃比反馈校正系数α，通过该空燃比反馈校正系数α乘以基本燃料喷射量，而求出应该从燃料喷射阀8喷射出的燃料喷射量。

另一方面，可变压缩比机构2利用了在日本特开2004－116434号公报等中记载的公知的多连杆式活塞曲柄机构，其将下述部件作为主体而构成，该部件包括：下连杆22，其可自由旋转地被支撑于曲轴21的曲轴销21a；上连杆25，其将该下连杆22的一端部的上销23和活塞24的活塞销24a彼此连结；控制连杆27，其一端与下连杆22的另一端部的控制销26连结；以及控制轴28，其将该控制连杆27的另一端支撑为能够摆动。上述曲轴21以及上述控制轴28在缸体29下部的曲轴箱内，经由未图示的轴承构造而被支撑为能够自由旋转。上述控制轴28具有伴随该控制轴28的转动而位置变化的偏心轴部28a，详细而言，上述控制连杆27的端部可旋转地嵌合于该偏心轴部28a。在上述的可变压缩比机构2中，伴随着控制轴28的转动，而活塞24的上止点位置沿上下发生位移，因此，机械性压缩比发生变化。

此外，作为对上述可变压缩比机构2的压缩比进行可变控制的驱动机构，具有与曲轴21平行的旋转中心轴的电动机31配置在缸体29下部，以与该电动机31在轴向串联排列的方式连接有减速器32。作为该减速器32，使用减速比较大的例如波动齿轮机构，该减速器输出轴32a位于与电动机31的输出轴(未图示)同轴的位置上。因此，为了使减速器输出轴32a和控制轴28位于彼此平行的位置，且两者联动地转动，在减速器输出轴32a上固定的第1臂部33和在控制轴28上固定的第2臂部34利用中间连杆35彼此连结。

即，如果电动机31旋转，则以利用减速器32减速较多的形式，减速器输出轴32a的角度发生变化。该减速器输出轴32a的转动从第1臂部33经由中间连杆35而向第2臂部34传递，控制轴28转动。由此，如上述所述，内燃机1的机械性压缩比发生变化。另外，在图示的例子中，第1臂部33以及第2臂部34彼此向相同方向延伸，因此，例如成为如果减速器输出轴32a绕顺时针方向转动则控制轴28也绕顺时针方向转动的关系，但也可以将连杆机构构成为向反方向转动。

上述可变压缩比机构2的目标压缩比在发动机控制器9中，基于内燃机运转条件(例如要求负载和内燃机转速)而进行设定，以实现该目标压缩比的方式驱动控制上述电动机31。

图2是表示在上述发动机控制器9中在内燃机1的运转过程中每隔规定时间重复执行的本实施例的控制流程的流程图。

首先在步骤1中，读入吸入空气量Qa和转速Ne。吸入空气量Qa是空气流量计10的检测值，转速Ne根据曲轴转角传感器15的检测信号逐次计算。

在步骤2中，根据吸入空气量Qa、转速Ne以及规定的系数K，计算出与前述的基本燃料喷射量相当的基本燃料喷射脉冲宽度Tp。基本燃料喷射脉冲宽度Tp是与空燃比成为理论空燃比的燃料喷射量相当的燃料喷射阀8的驱动脉冲宽度。

在步骤3中，进行前述的空燃比反馈校正系数α的计算或设定。在空燃比反馈控制条件成立的情况下，基于空燃比传感器14的检测信号，计算出用于使空燃比成为理论空燃比的空燃比反馈校正系数α。在空燃比反馈控制条件不成立的情况下，由于是开环控制，因此空燃比反馈校正系数α设定为1。

在步骤4中，进行空燃比的开环控制时所需的目标当量比TFBYA的计算或设定。在空燃比反馈控制条件成立的情况下，目标当量比TFBYA固定地设定为1。在空燃比反馈控制条件不成立且为开环控制的情况下，为了进行必要的燃料增加，设定为大于1的值。例如，在成为开环控制的高负载区域，基于吸入空气量Qa和转速Ne，设定出大于1的目标当量比TFBYA。

而且，在步骤5中，使基本燃料喷射脉冲宽度Tp乘以目标当量比TFBYA以及空燃比反馈校正系数α，而计算出燃料喷射脉冲宽度Ti。通过利用未图示的燃料喷射控制处理流程，与该燃料喷射脉冲宽度Ti相对应的喷射阀开驱动信号在后述的喷射定时发送至各气缸的燃料喷射阀8，从而与燃料喷射脉冲宽度Ti实质上成正比的量的燃料喷射到各气缸的缸内。其中，基本燃料喷射脉冲宽度Tp以及燃料喷射脉冲宽度Ti均是实际时间基准的值。

另一方面，在步骤6中，基于吸入空气量Qa和转速Ne计算出目标压缩比tε。具体而言，根据将与负载相当的吸入空气量Qa和转速Ne作为参数而分配目标压缩比tε的控制对应图，查找与届时的吸入空气量Qa和转速Ne对应的值。目标压缩比tε是在对应的吸入空气量Qa(负载)和转速Ne之下不会发生爆震，且热效率成为最优的机械性压缩比，预先通过实验而得到。基本上，在低负载侧目标压缩比tε设定为较高，负载越高越受爆震限制而设为较低的目标压缩比tε。

在步骤7中，基于吸入空气量Qa和转速Ne计算出燃料喷射开始定时IT。具体而言，根据将与负载相当的吸入空气量Qa和转速Ne作为参数而分配燃料喷射开始定时IT的控制对应图，查找与届时的吸入空气量Qa和转速Ne对应的值。上述控制对应图的值如后述，考虑确保喷射出的燃料的气化、混合所需的时间以及避免产生由于喷雾与活塞24碰撞而引起的烟雾，而分配为最合适，在低中负载区域中，燃料喷射开始定时IT设定在进气行程中。而且，在至少包含全开条件(燃料喷射脉冲宽度Ti为最大的运转条件)的规定的高负载区域中，燃料喷射开始定时IT设定在排气行程后期即与排气上止点相比的提前角侧，以使得燃料喷射期间跨越排气上止点。

另外，虽然不是本发明的对象，但假设在规定的低中负载区域进行分层燃烧的情况下，燃料喷射开始定时IT在对应的运转区域设定在压缩行程后期。

在步骤8中，基于吸入空气量Qa和转速Ne计算出排气阀闭定时EVC。还是根据将与负载相当的吸入空气量Qa和转速Ne作为参数而分配排气阀闭定时EVC的控制对应图，查找与届时的吸入空气量Qa和转速Ne对应的值。上述控制对应图的值至少在高负载区域中设定为考虑了上述的燃料喷射开始定时IT的值，为了不使在上止点附近处喷射出的燃料经过排气阀5而吹向排气口11侧，排气阀闭定时EVC也成为与排气上止点相比的提前角侧的值。排气侧可变阀机构41控制为实现该排气阀闭定时EVC。

下面，参照图3说明上述实施例的作用。图3表示出相对于曲轴转角的活塞24的位置即活塞行程的特性，特性a是上述可变压缩比机构2处于高压缩比(例如能够控制的最高压缩比)状态时的活塞行程特性，特性b是上述可变压缩比机构2处于低压缩比(例如能够控制的最低压缩比)状态时的活塞行程特性。特性c作为参考例，表示出具有通常的单连杆式活塞曲柄机构的固定压缩比内燃机的活塞行程特性，特别地，表示出具有与实施例的可变压缩比机构2为高压缩比控制状态时相同的机械性压缩比以及行程的固定压缩比内燃机的特性。

在高负载时(即燃料喷射脉冲宽度Ti较长时)，能够喷射燃料的曲轴转角期间由成为针对燃料喷射开始定时的限制的烟雾界限、以及成为针对燃料喷射结束定时的限制的气化及混合界限进行确定。在具有通常的单连杆式活塞曲柄机构的特性c的固定压缩比内燃机中，与排气上止点相比略靠延迟角侧的表示为Lim1的曲轴转角成为烟雾界限。在排气上止点附近，燃料喷射阀8的前端喷射孔和活塞24冠面的距离变得非常短，喷射出的燃料喷雾立即与活塞24冠面碰撞到并在该冠面及周围的燃烧室壁面上以液状附着，因此，烟雾增加。因此，在与表示为Lim1的烟雾界限相比的提前角侧(靠排气上止点)不能喷射燃料。此外，在图中表示为Lim2的气化及混合界限是为了确保喷射出的燃料喷雾的气化及混合所必需的时间而确定的界限，通常，与进气下止点相比略靠延迟角侧。如果燃料喷射持续至与该界限相比延迟为止，则无法进行充分的气化及混合，不优选。因此，如在图中作为“现有的能够喷射的曲轴期间”所示的那样，在通常的单连杆式活塞曲柄机构中，需要在从与排气上止点相比的延迟角侧的Lim1到进气下止点后的Lim2为止的期间T1内，开始燃料喷射并结束。喷射期间的长短依赖于燃料喷射阀8的喷射率(每单位时间的喷射量)，因此如果想要在比较短的期间T1内喷射出高负载时所需量的燃料，则需要与其相应的喷射率较大的燃料喷射阀8。另一方面，如上所述，在喷射率较大的燃料喷射阀8中，在怠速时或分割喷射时等进行少量的燃料喷射时喷射脉冲宽度较短，计量精度降低。

相对于如上述所述的固定压缩比内燃机，在具有本实施例的可变压缩比机构2的内燃机1中，虽然在高压缩比控制状态(特性a)下，在排气上止点附近处的活塞24的位置与固定压缩比内燃机的特性c没有大的差别，但是在低压缩比控制状态(特性b)下，在排气上止点附近的活塞24的位置变低，燃料喷射阀8和活塞24冠面之间的距离扩大(在图中用标号H表示扩大量)。因此，即使在排气上止点附近进行燃料喷射，也能使相对缓和由喷雾向活塞24冠面碰撞而导致的烟雾的产生，烟雾界限在图中如作为Lim3而表示的那样，与排气上止点相比靠提前角侧。即使在低压缩比控制状态下也不会特别对成为气化及混合界限的Lim2造成影响，因此能够喷射的曲轴期间成为从Lim3到Lim2为止的期间T2，比固定压缩比内燃机情况下的期间T1长。

在上述实施例中，在包含全开条件在内的规定的高负载区域中，可变压缩比机构2的目标压缩比tε成为最低压缩比(能够控制的最低压缩比)或其附近，同时，燃料喷射开始定时IT考虑上述的烟雾界限Lim3而设定在与排气上止点相比的提前角侧。即，跨过排气上止点而设定燃料喷射期间。因此，即使是喷射率比较小的燃料喷射阀8，也能够在图3中所示的期间T2内喷射出全开时所需的燃料，而不会造成烟雾的恶化、气化及混合的恶化。此外，如果使用喷射率较小的燃料喷射阀8，则能够提高少量的燃料喷射时的计量精度。

另外，使用了上述实施例的多连杆式活塞曲柄机构的可变压缩比机构2，特别地，以与单连杆式活塞曲柄机构所涉及的特性c相比较，在上止点附近的活塞24的上升速度设为较小的方式，设定其连杆几何结构。即，特性a、b的上止点附近处的斜度比特性c的斜度平缓。此外，低压缩比控制状态下的在上止点附近处的活塞24的上升速度与高压缩比控制状态下的活塞24的上升速度相比较小。即，特性b的上止点附近的斜度比特性a的斜度略微缓和。

如上所述，在上止点附近的活塞24的上升速度较小，从而在上止点附近处喷射出的燃料与活塞24冠面碰撞时的相对速度减小。因此，与其相应地抑制液状燃料向活塞24附着、或向周围的燃烧室壁面附着，在降低烟雾方面有效。

另一方面，在如上述所述燃料喷射从排气上止点前开始的情况下，如在前述的步骤8中说明的那样，为了防止燃料吹向排气口11侧，排气阀闭定时EVC与燃料喷射开始定时IT相对应而与排气上止点相比靠提前角侧。如上所述，排气阀5在比较早期关闭，这在考虑残留气体的增加等方面未必优选，但作为多连杆式活塞曲柄机构，使用如图3的特性b所示地上止点附近的活塞24的上升速度较小的机构，从而能够使伴随着早期关闭排气阀5的不利部分得到缓解。即，在如特性c所示地在上止点附近的活塞24的上升速度较大的情况下，在经过排气阀5气体高速流出的过程中，排气阀5被关闭。与此相对，在特性b中，成为下述形式，即，活塞24的上升行程(排气行程)的前半部分的活塞24的上升速度与特性c相比较大，在排气行程的前半部分中更多的气体流出后，在气体的流出减弱的阶段排气阀5被关闭。因此，使伴随着早期关闭排气阀5的不利相对减少。

以上，说明了本发明的一个实施例，但本发明不定限于上述实施例，能够进行各种变更。例如，在上述实施例中，使用使活塞24的上止点位置沿上下位移而使压缩比变化的可变压缩比机构2，但即使在使气缸侧沿上下移动的形式的可变压缩比机构中，本发明也同样能够应用。

此外，在图2所示的流程图中，与内燃机运转条件相对应而优先决定燃料喷射开始定时IT，因此燃料喷射结束定时根据该燃料喷射开始定时IT和燃料喷射期间(燃料喷射量)而确定，但也可以是取代如上所述的处理，优先决定燃料喷射结束定时，并减去换算为曲轴转角的所需的燃料喷射期间，而求出燃料喷射开始定时IT。在该情况下，在包含全开条件的规定的高负载区域中，燃料喷射开始定时IT被设为与排气上止点相比靠提前角侧。

此外，如对步骤6进行说明的那样，可变压缩比机构2的目标压缩比为了避免爆震而基本上设定为越是高负载越是低压缩比，但在本发明中，除了能够如上所述地以沿着爆震界限的形式设定包含全开的规定的高负载区域的目标压缩比之外，为了优先抑制排气上止点附近的伴随燃料喷射而产生的烟雾，也可以将高负载区域的目标压缩比设定为比爆震界限更低的值。

Claims (5)

1.一种内燃机的控制装置，其具有通过使活塞和气缸的相对的位置关系变化从而使机械性压缩比可变的可变压缩比机构，并且具有向燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀，

在该内燃机的控制装置中，在至少包含全开在内的内燃机高负载区域中，将压缩比控制为低压缩比，并且将燃料喷射开始定时设为排气上止点前，以使得燃料喷射期间跨越排气上止点。

2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其中

上述可变压缩比机构由多连杆式活塞曲柄机构构成，并且以与同一行程的单连杆式活塞曲柄机构相比较，在上止点附近的活塞上升速度减小的方式设定连杆几何结构。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其中

上述可变压缩比机构由多连杆式活塞曲柄机构构成，并且以设定为低压缩比的状态下的在上止点附近的活塞上升速度与设定为高压缩比的状态时相比减小的方式，设定连杆几何结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的控制装置，其中

在内燃机高负载区域中，与成为排气上止点前的燃料喷射开始定时相对应，使排气阀闭定时提前至排气上止点前。

5.一种内燃机的控制方法，其在具有通过使活塞和气缸的相对的位置关系变化从而使机械性压缩比可变的可变压缩比机构，并且具有向燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀的内燃机中，

在至少包含全开在内的内燃机高负载区域中，将压缩比控制为低压缩比，并且将燃料喷射开始定时设为排气上止点前，以使得燃料喷射期间跨越排气上止点。