CN105829691B - 火花点火式内燃机的控制系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于火花点火式内燃机的控制系统，所述火花点火式内燃机被配置为在气缸中产生滚流。所述火花点火式内燃机包括火花塞，其被配置为点燃所述气缸中的空气‑燃料混合物。所述控制系统包括滚流流速控制器，其被配置为改变所述滚流的旋涡中心沿着所述气缸的中心轴方向的位置，以便控制在所述火花塞的点火正时时在所述火花塞周围的所述滚流的流速。

Description

火花点火式内燃机的控制系统

技术领域

本发明涉及火花点火式内燃机的控制系统。

背景技术

例如在第2012-021501(JP 2012-021501 A)号日本专利申请公开中披露一种用于内燃机的控制系统，该内燃机包括在每个气缸中产生滚流的滚流控制阀。在该控制系统中，基于在节流阀的上游设置的第一气流计的检测值以及在滚流控制阀的正下方设置的第二气流计的检测值，计算推定滚流比。然后，执行滚流控制阀的开度的反馈控制，以使得如此计算的推定滚流比遵循目标滚流比。将目标滚流比设置为确定的允许控制范围内的值，以便避免失火和不稳定燃烧。

发明内容

即使将滚流比(滚流的流速/发动机速度)控制到特定限定范围内，如果发动机速度改变，则整个滚流的流速也会改变。如果在点火正时时火花塞周围的气体的流速太高或太低，则难以稳定地点燃空气-燃料混合物。在以下情况下这种现象尤其显著：当发动机在空气-燃料混合物的燃料浓度低的条件下处于稀薄燃烧操作时，例如当在高于化学计量比的空燃比下操作发动机时，或者处于其中燃烧包含大量EGR气体的EGR操作时。

本发明提供一种用于火花点火式内燃机的控制系统，所述控制系统有利于提高空气-燃料混合物的点火性能。

根据本发明的一个方面，提供一种用于火花点火式内燃机的控制系统，所述火花点火式内燃机被配置为在气缸中产生滚流。所述火花点火式内燃机包括火花塞，所述火花塞被配置为点燃所述气缸中的空气-燃料混合物。所述控制系统包括滚流流速控制器，其被配置为改变沿所述气缸的中心轴方向观察的所述滚流的旋涡中心的位置，以便控制在所述火花塞的点火正时时在所述火花塞周围的所述滚流的流速。

根据本发明的上述方面，能够将所述点火正时时在所述火花塞周围的气体的流速控制到适合于点火的范围内，而与发动机速度无关。因此，提高了所述空气-燃料混合物的点火性能。

在根据本发明的上述方面的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为在第一时间点增大所述滚流的一部分的流速。所述第一时间点可以被如此确定：使得当在增大所述滚流的上述部分的流速之后所述点火正时到来时，所述滚流的上述部分到达就所述滚流的所述旋涡中心而言与所述火花塞相对的位置。

借助上述布置，即使增大发动机速度，在点火正时时所述火花塞周围的气体的流速也不太可能过高或不可能过高。

在如上所述的控制系统中，所述内燃机可以包括燃料喷射阀，所述燃料喷射阀被配置为将燃料喷射到所述气缸中以使得所喷射的燃料沿着所述滚流流动。所述滚流流速控制器可以被配置为导致所述燃料喷射阀在进气冲程或压缩冲程期间喷射所述燃料，以便利用从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的喷流来增大所述滚流的上述部分的流速。

借助上述布置，能够利用喷射到所述气缸中的所述燃料的喷流来增大所述滚流的一部分的流速。

在如上所述的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为增大从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的喷流量，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

借助上述布置，能够通过改变在上述燃料喷射中使用的所述燃料的流速，调整沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心相对于所述火花塞的位置。以这种方式，能够更有效地控制所述点火正时时在所述火花塞周围的气体的流速。

在如上所述的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为增大从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的压力，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

借助上述布置，能够通过改变在所述燃料喷射中使用的所述燃料的压力，调整沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心相对于所述火花塞的位置。以这种方式，能够更有效地控制所述点火正时时在所述火花塞周围的气体的流速。

在如上所述的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为基于所述点火正时、滚流比、以及使所述滚流的所述一部分在所述点火正时时到达与所述火花塞相对的位置所需的喷流旋转角度，确定所述燃料喷射的执行时间。

借助上述布置，能够适当地确定所述燃料喷射的执行时间，以使得所述滚流的具有增大的流速的部分在所述点火正时时到达就所述滚流的所述旋涡中心而言与所述火花塞相对的位置。

在如上所述的控制系统中，所述内燃机可以包括燃烧后气体喷射阀，所述燃烧后气体喷射阀被配置为将燃烧后气体喷射到所述气缸中以使得所喷射的燃烧后气体沿着所述滚流流动。所述滚流流速控制器可以被配置为导致所述燃烧后气体喷射阀在进气冲程或压缩冲程期间喷射所述燃烧后气体，以便利用从所述燃烧后气体喷射阀喷射的所述燃烧后气体的喷流来增大所述滚流的所述一部分的流速。

借助上述布置，能够利用喷射到所述气缸中的所述燃烧后气体的喷流来增大所述滚流的一部分的流速。

在如上所述的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为增大从所述燃烧后气体喷射阀喷射的所述燃烧后气体的喷流量，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

使用上述布置，能够通过改变在上述喷射中使用的所述燃烧后气体的流速，调整沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心相对于所述火花塞的位置。以这种方式，能够更有效地控制所述点火正时时在所述火花塞周围的气体的流速。

在如上所述的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为升高从所述燃烧后气体喷射阀喷射的所述燃烧后气体的压力，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

使用上述布置，能够通过改变上述喷射中使用的所述燃烧后气体的压力，调整沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心相对于所述火花塞的位置。以这种方式，能够更有效地控制所述点火正时时在所述火花塞周围的气体的流速。

在如上所述的控制系统中，所述滚流流速控制器可以被配置为，基于所述点火正时、滚流比、以及使所述滚流的所述一部分在所述点火正时时到达与所述火花塞相对的位置所需的喷流旋转角度，确定所述燃烧后气体喷射的执行时间。

使用上述布置，能够适当地确定所述燃烧后气体喷射的执行时间，以使得所述滚流的具有增大的流速的部分在所述点火正时时到达就所述滚流的所述旋涡中心而言与所述火花塞相对的位置。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特性、优点以及技术和工业意义，其中相同标号表示相同元素，这些附图是：

图1是用于解释根据本发明第一实施例的内燃机的系统配置的示意图；

图2是示出空气-燃料混合物的点火延迟、火花塞周围的气体的流速、以及空气-燃料混合物的燃料浓度之间的关系的图；

图3A到图3E是示出在其中放电火花截断的情况下，在放电期间内放电火花相对于时间的行为的图；

图4是用于解释由燃料喷射阀喷射的燃料的喷射角度，以及微喷射的燃料喷射正时IT的图；

图5是示出由于燃料的微喷射而在滚流中产生的强弱部分的分布的图；

图6是示出在本发明第一实施例中设置燃料喷射正时IT的一个特定实例的图；

图7A是示出当未执行本发明第一实施例的气体流速控制时在点火正时时的气流分布的图；

图7B是示出当未执行本发明第一实施例的气体流速控制时在点火正时时的火花塞附近流速的波形的图；

图8A是示出当执行本发明第一实施例的气体流速控制时在点火正时时的气流分布的图；

图8B是示出当执行本发明第一实施例的气体流速控制时在点火正时时的火花塞附近流速的波形的图；

图9是在本发明第一实施例中执行的例程的流程图；

图10是示出发动机速度与微喷射量之间的关系的图；

图11是用于解释根据本发明第二实施例的内燃机的系统配置的示意图；

图12是用于解释由燃料喷射阀喷射的燃料的喷射角度，以及微喷射的燃料喷射正时IT的图；

图13是示出由于燃料的微喷射而在滚流中产生的强弱部分的分布的图；

图14是示出在本发明第二实施例中设置燃料喷射正时IT的一个特定实例的图；

图15是用于解释根据本发明第三实施例的内燃机的系统配置的示意图；

图16是示出由于燃烧后气体的微喷射而在滚流中产生的强弱部分的分布的图；以及

图17是示出当进行使用燃烧后气体的微喷射时在点火正时时的气缸中的气流分布的图。

具体实施方式

图1是用于解释根据本发明第一实施例的内燃机10的系统配置的示意图。该实施例的系统包括火花点火式内燃机10。在发动机10的每个气缸中设置活塞12。在气缸中的活塞12的顶面上方形成燃烧室14。进气通道16和排气通道18与燃烧室14连通。

在进气通道16的入口附近设置气流计20，其输出指示吸入进气通道16的空气的流速的信号。在气流计20的下游设置电子控制式节流阀22。在其中进气通道16朝着相应气缸分支的每个分支通道中设置电子控制式滚流控制阀(TCV)24。TCV 24在每个进气端口16a中导致进气流偏离，从而在气缸中产生滚流(纵涡流)。可以通过改变TCV 24的开度，调整滚流比(滚流的角速度/发动机速度)。

进气通道16的每个进气端口16a具备用于打开和关闭进气端口16a的进气阀26，并且排气通道18的每个排气端口18a具备用于打开和关闭排气端口18a的排气阀28。在内燃机10的每个气缸中，设置用于直接将燃料喷射到气缸中的燃料喷射阀30。如图1中所示，燃料喷射阀30安装在燃烧室14的更接近进气阀26的端部(在气缸的侧壁附近)中的气缸头31内。在操作中，向每个气缸的燃料喷射阀30供应通过高压燃料泵32加压的燃料。可以通过在给定燃料压力下控制燃料喷射阀30的开阀时段，调整喷射的燃料的流速，并且可以通过控制高压燃料泵32的排出流速，调整由燃料喷射阀30喷射的燃料的喷射压力。此外，在发动机10的每个气缸中设置点火装置(未示出)的火花塞34，其用于点燃空气-燃料混合物。更具体地说，火花塞34安装在燃烧室14的上壁(即，气缸头的壁)的中央区域中或中央区域附近。每个气缸具有彼此相邻的两个进气阀26，以及在进气阀26的相对侧彼此相邻定位的两个排气阀28(其中火花塞34介于进气阀26与排气阀28之间)。

内燃机10包括EGR通道36，其将进气通道16与排气通道18相连。在EGR通道36的中部布置EGR阀38，其用于调整经由EGR通道36回流到进气通道16中的EGR气体(外部EGR气体)量。通过改变EGR阀38的开度，改变流经EGR通道36的废气(EGR气体)的流速，以使得能够调整EGR率。此外，在排气通道18中布置空燃比传感器40，其用于检测废气的空燃比。在排气通道18中空燃比传感器40的下游布置排气净化催化剂(例如三元催化剂)42。

图1中所示的系统进一步具备ECU(电子控制单元)50。用于检测内燃机10的操作状况的各种传感器连接到ECU 50的输入部。除了如上所述的气流计20和空燃比传感器40之外，所述传感器包括用于检测发动机速度的曲柄角传感器52等。此外，用于控制发动机10的操作的各种启动器被连接到ECU 50的输出部。所述启动器包括上述节流阀22、TCV 24、燃料喷射阀30、高压燃料泵32、点火装置、EGR阀38等。ECU 50被配置为根据上述各种传感器的检测值和特定程序来操作各种启动器，以便执行特定发动机控制(例如燃料喷射控制和点火控制)，并且还执行如后面描述的滚流流速控制。

将解释在稀薄燃烧操作期间在点火正时时控制火花塞周围的气体的流速的需要。图2示出空气-燃料混合物的点火延迟、火花塞34周围的气体的流速、以及空气-燃料混合物的燃料浓度之间的关系。发动机10的操作区域包括稀薄燃烧操作区域，其中发动机10在混合物的燃料浓度低(即，空气(当引入EGR气体时包括EGR气体)与燃料的比率小)的条件下操作。因此，在本说明书中，当解释混合物的燃料浓度水平时，假设空气-燃料混合物中存在EGR以及空气。更具体地说，当空气量或EGR气体量大于基准条件时，执行稀薄燃烧操作，在基准条件下，在EGR率等于0的化学计量空燃比下操作发动机。即，在空气-燃料混合物的燃料浓度低于基准条件的条件下执行稀薄燃烧操作。换言之，在空气-燃料混合物的燃料浓度等于或低于预定值的条件(即，空气-燃料混合物的点火性可能劣化(更具体地说，可能发生点火延迟)的条件)下执行稀薄燃烧操作。稀薄燃烧操作区域由发动机速度和发动机负载指定。

因此，在本说明书中提及的稀薄燃烧操作不仅包括在高于化学计量比的空燃比下执行的操作(即，其中通过增大空气量对燃料量的比率而降低燃料浓度的操作)，而且还包括在通过引入大量EGR气体而实现的高EGR率下执行的操作(即，其中通过增大EGR气体量对燃料量的比率而降低燃料浓度的操作)。在高EGR率下的操作可以包括在化学计量空燃比附近执行的操作。

在实现高热效率的上述稀薄燃烧操作中，重要的是降低气缸中的空气-燃料混合物的燃料浓度，从而减少从发动机10排出的NOx。但是，在稀薄燃烧操作期间(具体地说，如在本实施例的发动机10中，在通过在气缸的整个容积内均匀形成稀薄混合物而实现的均匀稀薄燃烧期间)，燃料浓度的过度降低可能导致不稳定燃烧。

如图2中所示，在稀薄燃烧操作期间，随着燃料浓度降低，空气-燃料混合物的点火延迟增大。随着点火延迟增大，发动机10的转矩波动增大。此外，点火延迟根据在点火正时时火花塞34周围的气体的流速(将称为“火花塞附近流速”)而变化。因此，有必要将点火正时时的火花塞附近流速控制到特定限定范围内，以使得点火延迟落入其中转矩波动等于或小于允许水平的范围内，以便实现稳定燃烧。随着燃料浓度变得较低，针对该目的设置的火花塞附近流速的范围变窄，如图2中所示。

点火延迟和火花塞附近流速彼此相关，以使得当火花塞附近流速变得比给定流速值(最佳值)越来越高或越来越低时，点火延迟增大。接下来参考图3A-3E，将描述点火延迟为何在较高流速侧和较低流速侧增大的原因。图3A到图3E示出在其中放电火花截断的情况下，在放电期间内放电火花的行为，这些行为随着时间按照图3A、3B、3C、3D和3E的顺序相继发生。

在如图3A中所示开始放电之后，由于火花塞34周围的气流，导致在火花塞间隙中产生的电火花如图3B和图3C中所示那样漂移。因此，放电路径长度增加。一旦发生放电，放电火花路径上的气体被电离，并且其电阻降低。但是，如果放电路径长度因为高火花塞附近流速而增加，则放电路径上的电阻值变得大于具有最短距离的火花塞间隙的电阻值，并且如图3D中所示发生放电火花截断。当发生放电火花截断时，如图3E中所示，立即在具有最短距离的火花塞间隙中发生重新放电。

首先，将解释点火性能为何在较高流速侧劣化的原因。在其中燃料浓度处于稀薄可燃性极限附近的情况下，空气-燃料混合物需要一段特定时间来达到点燃(开始化学反应)。随着火花塞附近流速增大，在发生放电火花截断之前需要的时间缩短；因此，特定位置处的相同空气-燃料混合物通过电火花加热并且达到点燃需要的时间变得不足。因此，点火性能劣化。

其次，将解释点火性能为何在较低流速侧劣化的原因。通过放电产生的电火花的每单位长度的能量由点火线圈的特性确定，并且无论放电路径长度为何都恒定。因此，随着放电路径长度由于气流等增大，向混合物供应的能量整体增大，并且加热的混合物的体积也增大。但是，如果火花塞附近流速降低，则放电路径不太可能延长，从而导致供应的能量和混合物的体积不增大。因此，点火性能劣化。

如上所述，有必要将在点火正时时的火花塞附近流速保持在特定限定范围内，以便将点火延迟控制为在其中转矩波动等于或低于允许水平的范围内，从而实现稳定燃烧。但是，流入气缸中的气体的流速与发动机速度成比例。因此，如果不针对火花塞附近流速执行控制，则火花塞附近流速随发动机速度成比例单调增大。因此，如果设置滚流比以便在低发动机速度区域内确保良好的火花塞附近流速，则火花塞附近流速在高发动机速度区域内变得过大。

将描述第一实施例中在点火正时时的火花塞附近流速的控制。在第一实施例中，使用TCV 24设置基本滚流比TR，以使得能够在低发动机速度区域内在点火正时时获得适合于稀薄燃烧操作的特定最佳点火范围(图2中所示的流速范围)内的火花塞附近流速。在此提及的基本滚流比TR基本上是无论发动机速度水平为何均统一使用的值。

在第一实施例中，在其中以基本滚流比TR在气缸中产生滚流的情况下，当预计由于火花塞附近流速过度增大而使混合物的点火性能劣化时，使用能够将燃料直接喷射到气缸中的燃料喷射阀30执行如下所述的燃料喷射。即，在进气冲程或压缩冲程期间在给定燃料喷射时间IT喷射少量燃料(将称为“微喷射”)，以便改变沿着气缸的中心轴方向观察的滚流的旋涡中心的位置，从而控制点火正时时的火花塞附近流速。

图4是用于解释从燃料喷射阀30喷射的燃料的喷射角度，以及微喷射的燃料喷射正时IT的图。图5是示出由于燃料的微喷射而在滚流中产生的强弱部分的分布的图。

第一实施例的微喷射是使用用于获得所需转矩的燃料喷射量的一部分产生的分割喷射。当未进行微喷射时，滚流的旋涡中心的位置(图4中所示的已知旋涡中心位置)位于作为活塞12的顶面与气缸头31的端面之间距离的活塞高度的一半处。甚至在活塞12上升过程中也保持这种关系。

定位燃料喷射阀30以便朝着气缸的中心轴喷射燃料。此外，如图4中所示，设置从燃料喷射阀30喷射的燃料的喷射角度，以使得在微喷射的执行期间，沿着气缸中心轴方向观察时，指示喷射方向的虚拟线与气缸的中心轴之间的交点位于比滚流的旋涡中心高的位置(更接近火花塞34的位置)。在燃料喷射正时IT进行微喷射，以使得喷射的燃料沿着滚流流动，该燃料喷射正时IT满足以下条件：沿着气缸中心轴方向观察时，喷流到达比滚流的旋涡中心高的位置。更具体地说，因为当活塞12如上所述上下移动时，滚流的旋涡中心保持在对应于活塞高度一半的位置处，所以根据燃料喷射阀30的喷射角度(相对于图4中水平线的喷射方向的倾角θ)，指定满足交点位于旋涡中心上方的条件的曲柄角周期。更具体地说，当倾角θ较大时，曲柄角周期缩短。如后面将描述的，燃料喷射正时IT是因此指定的曲柄角周期内的给定时间点(在进气冲程或压缩冲程期间)。

借助如此在燃料喷射正时IT进行的微喷射，滚流的一部分的流速由于燃料的喷流而增大，以使得在滚流中分布强弱部分。燃料喷射正时IT被确定为这样的时间：在该时间，滚流的具有高流速的部分旋转，并且在点火正时时到达就滚流的旋涡中心而言与火花塞34相对的位置(即，更接近活塞12的顶面的位置)。如在本实施例的发动机10中，当燃料喷射阀30安装在气缸的侧壁附近时，使滚流的具有增大的流速的部分(由微喷射导致的燃料的喷流造成)在点火正时时到达上述位置所需的喷流旋转角度Δθ大约为180°，如图5中所示。可以基于点火正时SA、基本滚流比TR、以及喷流旋转角度Δθ，以下面的方式设置实现滚流的高流速部分的上述移动所需的燃料喷射正时IT。

其中ΔT表示从燃料喷射正时IT到点火正时SA(兼容值)的曲柄角周期，ΔT由如下指示的等式(1)表示。上面提及的喷流旋转角度Δθ是与滚流在曲柄角周期ΔT期间旋转的角度对应的值，并且使用滚流比TR和曲柄角周期ΔT由如下指示的等式(2)来表示。在此，滚流比TR是当滚流旋转一周而曲柄轴旋转一周时等于1的指标值。如果鉴于等式(2)的关系修改等式(1)，则基于点火正时SA、滚流比TR、以及喷流旋转角度Δθ，由如下指示的等式(3)表示燃料喷射正时IT。

ΔT＝IT-SA (1)

Δθ＝360×TR×ΔT/360＝TR×ΔT (2)

IT＝SA+Δθ/TR (3)

在第一实施例中，利用滚流确定燃料喷射正时IT以使得喷流旋转角度Δθ变得等于180°。即使喷流旋转角度Δθ是相同值，曲柄角周期ΔT也根据基本滚流比TR而改变，如从上面等式(2)理解的那样，并且燃料喷射正时IT根据滚流比TR和点火正时SA而改变，如从上面等式(3)理解的那样。

图6示出在第一实施例中设置燃料喷射正时IT的一个特定实例。在此，曲柄角(度)作为指标被表示为压缩上死点前(BTDC)角度。这也适用于将在后面描述的图14。图6示出在其中例如将点火正时SA设置为40BTDC的情况下，计算对应于滚流比TR的燃料喷射正时IT的结果。更具体地说，如果滚流比TR为1，则根据等式(2)，当喷流旋转角度Δθ为180°时，曲柄角周期ΔT变得等于180°。因此，根据等式(1)或等式(3)，燃料喷射正时IT变得等于220BTDC。同样，如果滚流比TR为1.5，则曲柄角周期ΔT变得等于120°，并且因此，燃料喷射正时IT变得等于160BTDC。同样，如果滚流比TR为2，则曲柄角周期ΔT变得等于90°，并且因此，燃料喷射正时IT变得等于130BTDC。

如上面参考图4描述的，满足喷射的燃料沿着滚流流动的条件的曲柄角周期根据喷射角度θ而变化。如果在满足上面条件的曲柄角周期内存在满足喷流旋转角度Δθ为540°(即，当在旋转上述180°之后滚流旋转另一周时的旋转角度)的条件的燃料喷射正时IT，则可以使用该燃料喷射正时IT。在图6的实例中，当滚流比TR为2时，对应于270°(作为当喷流旋转角度Δθ为540°时的曲柄角周期ΔT的值)的燃料喷射正时IT可以作为在进气冲程期间的时间点被计算为310BTDC。因此，根据喷射角度θ，该时间点可以用作燃料喷射正时IT。

参考图7A和图7B以便比较，并且图7A示出当未执行第一实施例的气体流速控制时在点火正时时的气流分布，而图7B示出火花塞附近流速的波形。图8A示出当执行第一实施例的气体流速控制时在点火正时时的气流分布，并且图8B示出火花塞附近流速的波形。在图7B和图8B中，当气体从进气侧流向排气侧时，火花塞附近流速取正值。

借助该实施例的微喷射，滚流的一部分的流速增大，以使得可以在滚流中分布强弱部分，如上所述。当未进行微喷射时，在通常设置点火正时SA的时间(比压缩上死点提前给定周期的时间)，如图7A中所示滚流的旋涡中心位于火花塞的下方(在活塞侧)。

本发明的发明者发现，如果在燃料喷射正时IT执行微喷射以使得滚流的具有高流速的部分在点火正时时到达上述相对位置(即，更接近活塞12的顶面的位置)，则与其中未进行微喷射的情况相比，在点火正时时滚流的旋涡中心的位置向上(即，朝着火花塞34)移动，如从图7A与图8A之间的比较理解的那样。因此，在第一实施例中，在其中混合物的点火性能可能劣化的区域中，如上所述在燃料喷射正时IT执行微喷射。

如从图7B与图8B之间的比较理解的那样，通过借助微喷射升高滚流的旋涡中心位置以使该位置更接近火花塞34，能够使火花塞附近流速开始降低的时间提前。以这种方式，能够降低在点火正时时的火花塞附近流速。因此，即使当发动机速度高，并且在不采取对策的情况下在点火正时时的火花塞附近流速将超出最佳点火范围时(如图7B中所示)，也能够将点火正时时的火花塞附近流速保持在最佳点火范围内(如图8B中所示)。

如果在微喷射中喷射的燃料量增大太多，则滚流本身的速度可能增大。因此，将第一实施例的微喷射中使用的燃料量设置为预先通过实验等预定的值，作为此类仅增大滚流的一部分的流速而不增大整个滚流的速度的少量。本发明的发明者进一步发现，如果用于微喷射的燃料量在其中增大滚流的一部分而不是整个滚流的流速的少量范围内，则当用于微喷射的燃料量较大时，能够在滚流中产生强度较大程度改变的强弱部分的分布，并且能够进一步升高滚流的旋涡中心位置(即，能够使旋涡中心进一步接近火花塞34)。因此，在该实施例中，在其中混合物的点火性能可能劣化的区域中，随着发动机速度更高，在微喷射中喷射的燃料量增大。

将描述根据第一实施例的由ECU 50执行的特定过程。图9是示出由ECU 50执行的用于实施根据第一实施例的气体流速控制的例程的流程图。针对每个气缸中的每个循环重复执行图9的例程。

在图9中所示的例程中，ECU 50首先获得发动机速度、发动机负载因数、以及空燃比(步骤100)。可以使用曲柄角传感器52计算发动机速度，并且可以基于由气流计20测量的进气量和发动机速度计算发动机负载因数。可以使用空燃比传感器40检测空燃比。

然后，ECU 50获得所需点火正时SA。ECU 50存储映射(未示出)，该映射针对发动机速度、发动机负载因数以及空燃比预先定义所需点火正时SA。在步骤102，参考映射获得所需点火正时SA。

然后，ECU 50基于发动机速度和所需点火正时SA，推定在点火正时时的火花塞附近流速(步骤104)。如图8B等中所示，火花塞附近流速根据点火正时以及发动机速度而改变。在该实例中，ECU 50存储映射(未示出)，在该映射中根据发动机速度和所需点火正时SA预先确定在点火正时时的火花塞附近流速。能够参考该映射计算在点火正时时的火花塞附近流速。

然后，ECU 50判定内燃机10的操作区域是否在恶化的点火性能区域(即，其中点火性能可能劣化的区域)内(步骤106)。更具体地说，判定在点火正时时的火花塞附近流速是否高于给定条件值。在此提及的条件值是对应于如图8B等中所示的最佳点火范围的上限的值。

如果在步骤106获得肯定决策(是)，即，如果判定在点火正时时的火花塞附近流速过高，则ECU 50然后获得基本滚流比TR(步骤108)。无论发动机速度为何，在此提及的基本滚流比TR预先被确定为固定值。但是，该实施例的微喷射还可以适用于其中滚流比TR根据诸如发动机速度之类的各种操作条件而改变的系统。

然后，ECU 50确定微喷射的燃料喷射正时IT(步骤110)。基于所需点火正时SA、基本滚流比TR、以及喷流旋转角度Δθ，通过上述方法计算燃料喷射正时IT。喷流旋转角度Δθ是鉴于燃料喷射阀30的安装位置以及喷射角度而预先确定的值(在该实施例中为180°)。

然后，ECU 50计算作为在微喷射中喷射的燃料量的微喷射量(步骤112)。图10指示发动机速度与微喷射量之间的关系。如图10中所示，在恶化的点火性能区域中，微喷射量被设置为当发动机速度较高时增大。ECU 50存储定义如图10中所示的预定关系的映射，并且参考存储在其中的映射，根据发动机速度计算步骤112中的微喷射量。优选地，通过从提供需要由发动机10产生的转矩所需的燃料喷射量中减去计算的微喷射量，获得在该循环中喷射的燃料量。

然后，ECU 50使用曲柄角传感器52判定燃料喷射正时IT是否到来(步骤114)。如果在步骤S144获得肯定决策(是)，则ECU 50执行微喷射(步骤116)。

根据如上解释的图10中所示的例程，在其中点火正时时的火花塞附近流速过高的恶化点火性能区域中，执行微喷射。因此利用由微喷射导致的燃料喷流，能够增大滚流的一部分的流速，并且在滚流中产生强弱部分的分布。通过上述燃料喷射正时IT时的微喷射在滚流中产生强弱部分的分布，与未进行微喷射时相比，能够使点火正时时的滚流的旋涡中心位置更接近火花塞34。因此，通过微喷射，滚流的旋涡中心被改变，以使得能够改变点火正时时的气缸中的气流分布。因此，即使当发动机速度高时，点火正时时的火花塞附近流速不太可能过高或不可能过高。以这种方式，无论发动机速度水平为何，能够将点火正时时的火花塞附近流速控制为在最佳点火范围内。因此，能够提高在稀薄燃烧操作期间的点火性能。

在第一实施例的微喷射中喷射的燃料量不会如此大以致增大整个滚流。即，微喷射改变点火正时时的火花塞附近流速，而不改变气缸中的滚流比。因此，能够控制火花塞附近流速，同时维持作为燃烧速度的主要因素的气缸中的气流的紊流强度。此外，因为喷射的燃料量如此小，所以不会由于气体流速控制的燃料喷射而劣化气缸中的空气-燃料混合物的均匀度。

如上所述，如果未执行任何特殊控制(例如微喷射)，则随着发动机速度升高，点火正时时的火花塞附近流速增大。根据上面的例程，在恶化的点火性能区域中，随着发动机速度升高，微喷射量增大。因此，随着发动机速度升高，更大程度地改变滚流的旋涡中心，并且能够使旋涡中心更接近火花塞34。因此，能够增大点火正时时的火花塞附近流速的降低量；因此，能够以较高可靠性将点火正时时的火花塞附近流速控制到在最佳点火范围内，而与发动机速度水平无关。

同时，在上述第一实施例中，在恶化的点火性能区域中，随着发动机速度升高，微喷射量增大。但是，还能够通过增大在微喷射中喷射的燃料的压力(喷射压力)而不是增大微喷射量，同样地加强滚流的一部分。因此，能够在滚流中产生强度较大程度改变的强弱部分的分布，以使得能够进一步升高滚流的旋涡中心以便更接近火花塞34。因此，在恶化的点火性能区域中，随着发动机速度升高，代替或者除了增大在微喷射中喷射的燃料量之外，还可以增大在微喷射中喷射的燃料的压力。

在如上所述的第一实施例中，ECU 50通过执行如图9中所示的例程中的一系列步骤，控制燃料喷射阀30，以便提供根据本发明的“滚流流速控制器”。

接下来参考图11至图14，将描述本发明的第二实施例。

首先，将描述第二实施例的系统配置。图11是用于解释根据第二实施例的内燃机60的系统配置的示意图。在图11中，为与图1中所示相同的构成元件指定图1中使用的相同参考标号，并且将简化或不提供这些元件的解释。

该实施例的内燃机60的构造类似于第一实施例的内燃机10，只是缸内直接喷射类型的燃料喷射阀62的安装位置不同于燃料喷射阀30的安装位置。更具体地说，燃料喷射阀62安装在燃烧室14的上壁的中央部分附近，处于与火花塞34相邻的位置。

接下来，将描述根据第二实施例的点火正时时的火花塞附近流速的控制。图12是用于解释由燃料喷射阀62喷射的燃料的喷射角度，以及微喷射的燃料喷射正时IT的图。图13是示出通过燃料的微喷射而在滚流中产生的强弱部分的分布的图。

在该实施例中，也基于与第一实施例相同的概念利用微喷射，以便控制点火正时时的火花塞附近流速。借助如此安装在燃烧室14的上壁的中心处的燃料喷射阀62，设置喷射角度以使得相对于气缸的中心轴朝向排气侧空间喷射燃料，如图12中所示。借助以这种方式设置的喷射角度，喷射的燃料沿着滚流流动，而与喷射正时无关。

如果燃料喷射阀62被安装在燃烧室14的上壁的中心处，则使滚流的具有增大的流速的部分(由于通过微喷射的燃料的喷流)在点火正时时到达上述相对位置(更接近活塞12的顶面的位置)所需的喷流旋转角度Δθ大约为90°，如图13中所示。因此，确定用于本实施例中的燃料喷射正时IT以使得喷流旋转角度Δθ变得等于90°或450°(当在旋转90°之后滚流旋转另一周时的旋转角度)。

图14示出在第二实施例中设置燃料喷射正时IT的一个特定实例。图14示出在其中例如将点火正时SA设置为40BTDC的情况下，计算对应于滚流比TR的燃料喷射正时IT的结果。更具体地说，基于与上面在第一实施例中所述相同的概念，如果滚流比TR为1，则当喷流旋转角度Δθ为90°时，曲柄角周期ΔT变得等于90°；因此，燃料喷射正时IT变得等于130BTDC。同样，如果滚流比TR为1.5，则当喷流旋转角度Δθ为90°时，曲柄角周期ΔT变得等于60°，并且当喷流旋转角度Δθ为450°时，曲柄角周期ΔT变得等于300°。因此，燃料喷射正时IT变得等于100BTDC(在压缩冲程期间)或340BTDC(在进气冲程期间)。同样，如果滚流比TR为2，则当喷流旋转角度Δθ为90°时，曲柄角周期ΔT变得等于45°，并且当喷流旋转角度Δθ为450°时，曲柄角周期ΔT变得等于225°。因此，燃料喷射正时IT变得等于85BTDC(在压缩冲程期间)或265BTDC(在进气冲程期间)。

将描述第二实施例的特定过程。第二实施例的滚流流速控制与第一实施例的滚流流速控制基本相同，只是将喷流旋转角度Δθ设置为90°(或450°)。因此，修改步骤112的操作以使得使用90°(或450°)而不是180°作为喷流旋转角度Δθ来确定燃料喷射正时IT，以便提供类似于如图9中所示的第一实施例的例程的例程。ECU 50执行该例程以便实施第二实施例的滚流流速控制。因此，第二实施例的滚流流速控制提供与第一实施例基本相同的效果。

接下来，将参考图15到图17描述本发明的第三实施例。

图15是用于解释第三实施例的内燃机70的系统配置的示意图。在图15中，为与图1中所示构成元件相同的图15中所示构成元件指定图1中使用的相同参考标号，并且将简化或不提供这些元件的解释。内燃机70的系统还包括未在图15中示出而在图1中示出的构成元件。

如图15中所示，第三实施例的内燃机70包括燃烧后气体喷射阀72，其将燃烧后气体(即，EGR气体)喷射到每个气缸中。燃烧后气体喷射阀72可以安装在燃烧室14的更接近进气阀26的端部，或者可以安装在燃烧室14的上壁的中央部分中，与第二实施例的燃料喷射阀62相同。

内燃机70包括燃烧后气体供应通道74，通过该通道向每个气缸的燃烧后气体喷射阀72供应高压燃烧后气体。燃烧后气体供应通道74连接到排气净化催化剂42下游的排气通道18。在燃烧后气体供应通道74的中部安装压缩机76，其压缩燃烧后气体以便将燃烧后气体的压力增大到这样的水平：使能在压缩冲程期间将气体喷射到气缸中。燃烧后气体喷射阀72和压缩机76由ECU 50控制。

将描述根据第三实施例的对点火正时时的火花塞附近流速的控制。图16示出通过燃烧后气体的微喷射而在滚流中产生的强弱部分的分布。在第三实施例中，燃烧后气体喷射阀72用于控制点火正时时的火花塞附近流速，如图16中所示，并且进行燃烧后气体的微喷射以使得喷射的燃烧后气体沿着滚流流动。燃料喷射正时IT和喷射角度的设置方式类似于上面在第一实施例和第二实施例中描述的设置方式。即，图16示出其中燃烧后气体喷射阀72安装在燃烧室14的更接近进气阀26的端部的布置。在这种情况下，将喷流旋转角度Δθ设置为180°(或540°，具体取决于喷射角度θ)。在其中燃烧后气体喷射阀72安装在燃烧室14的上壁的中央部分的情况下，将喷流旋转角度设置为90°(或450°)，如在第二实施例中那样。

如在第一实施例等中的燃料的情况下，随着发动机速度升高，在微喷射中喷射的燃烧后气体量增大。此外，如在第一实施例等中，随着发动机速度升高，代替或者除了增大在微喷射中喷射的燃烧后气体量之外，可以增大燃烧后气体的喷射压力。

图17示出当进行使用燃烧后气体的微喷射时在点火正时时的气缸中的气流分布。如果由于通过微喷射的燃烧后气体喷流而增大滚流的一部分的流速，则该滚流部分变成EGR气体层，如图16中所示。因此，如图17中所示，在点火正时时，如在第一实施例等中滚流的旋涡中心向上移动，并且上述部分(即，EGR气体层)位于远离火花塞34而接近活塞12的顶面的区域中。因此，执行所谓的EGR分层进气燃烧。因此，通过使用燃烧后气体的微喷射，移动或改变滚流的旋涡中心以便控制在点火正时时的火花塞附近流速，同时确保由于通过EGR分层进气燃烧的冷却损失降低而导致的热效率提高。

将描述根据第三实施例的特定过程。由ECU 50执行的第三实施例的滚流流速控制与第一实施例和第二实施例的滚流流速控制基本相同(即，类似于图10中所示例程的过程)，只是使用燃烧后气体代替燃料。

在如上所述的第三实施例中，使用燃烧后气体代替燃料以便进行微喷射。但是，能够通过进行使用新空气代替燃烧后气体的微喷射，执行根据本发明的气体流速控制。

在如上所述的第一到第三实施例中，作为本发明特性的气体流速控制被应用于处于稀薄燃烧操作的发动机，在该操作中点火性能可能受到点火正时时的火花塞附近流速的影响。但是，本发明的气体流速控制不一定应用于处于稀薄燃烧操作中间的发动机，而是可以应用于例如在化学计量空燃比下操作的内燃机。

Claims (11)

1.一种用于火花点火式内燃机的控制系统，所述火花点火式内燃机被配置为在气缸中产生滚流，并且所述火花点火式内燃机包括火花塞，所述火花塞被配置为点燃所述气缸中的空气-燃料混合物，所述控制系统的特征在于包括：

滚流流速控制器，其被配置为改变所述滚流的旋涡中心沿所述气缸的中心轴方向的位置，以便控制在所述火花塞的点火正时时在所述火花塞周围的所述滚流的流速，其中

所述滚流流速控制器被配置为在第一时间点增大所述滚流的一部分的流速，所述第一时间点被如此确定：使得当在增大所述滚流的所述一部分的流速之后所述点火正时到来时，所述滚流的所述一部分到达就所述滚流的所述旋涡中心而言与所述火花塞相对的位置。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：

所述内燃机包括燃料喷射阀，所述燃料喷射阀被配置为将燃料喷射到所述气缸中以使得所喷射的燃料沿着所述滚流流动；以及

所述滚流流速控制器被配置为导致所述燃料喷射阀在进气冲程或压缩冲程期间喷射所述燃料，以便利用从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的喷流来增大所述滚流的所述一部分的流速。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为增大从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的喷流量，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

4.根据权利要求2或3所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为升高从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的压力，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

5.根据权利要求2或3所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为，基于所述点火正时、滚流比、以及使所述滚流的所述一部分在所述点火正时时到达与所述火花塞相对的位置所需的喷流旋转角度，确定所述燃料喷射的执行时间，所述滚流比是所述滚流的流速与发动机速度的比。

6.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为，基于所述点火正时、滚流比、以及使所述滚流的所述一部分在所述点火正时时到达与所述火花塞相对的位置所需的喷流旋转角度，确定所述燃料喷射的执行时间，所述滚流比是所述滚流的流速与发动机速度的比。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：

所述火花点火式内燃机包括燃烧后气体喷射阀，所述燃烧后气体喷射阀被配置为将燃烧后气体喷射到所述气缸中以使得所喷射的燃烧后气体沿着所述滚流流动；以及

所述滚流流速控制器被配置为导致所述燃烧后气体喷射阀在进气冲程或压缩冲程期间喷射所述燃烧后气体，以便利用从所述燃烧后气体喷射阀喷射的所述燃烧后气体的喷流来增大所述滚流的所述一部分的流速。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为增大从所述燃烧后气体喷射阀喷射的所述燃烧后气体的喷流量，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

9.根据权利要求7或8所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为升高从所述燃烧后气体喷射阀喷射的所述燃烧后气体的压力，以使得在所述点火正时时沿着所述气缸的所述中心轴方向观察的所述滚流的所述旋涡中心的位置移动到更接近所述火花塞。

10.根据权利要求7或8所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为，基于所述点火正时、滚流比、以及使所述滚流的所述一部分在所述点火正时时到达与所述火花塞相对的位置所需的喷流旋转角度，确定所述燃烧后气体喷射的执行时间，所述滚流比是所述滚流的流速与发动机速度的比。

11.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于

所述滚流流速控制器被配置为，基于所述点火正时、滚流比、以及使所述滚流的所述一部分在所述点火正时时到达与所述火花塞相对的位置所需的喷流旋转角度，确定所述燃烧后气体喷射的执行时间，所述滚流比是所述滚流的流速与发动机速度的比。