CN106414971A - 用于内燃机的控制设备 - Google Patents

Abstract

目的是在使用具有相对高的自燃温度的燃料的内燃机中实现稳定的柴油燃烧以及柴油燃烧的热效率的提高。用于内燃机的控制设备包括：燃料喷射阀，该燃料喷射阀能够将燃料喷射到燃烧室中；以及点火装置，该点火装置相对于燃料喷射阀的位置以使得该点火装置能够直接点燃燃料喷雾的方式来设定。该设备在压缩冲程期间在预定的预喷射时间执行预喷射，并且在由预喷射形成的预喷雾由点火装置点燃之后在预定的喷射开始时间执行主喷射，从而导致产生自燃并且导致主喷射燃料的至少一部分通过扩散燃烧而燃烧。当预喷射燃料的量增加时，响应于预喷射燃料的量的增加来使预喷射时间提前。

Description

用于内燃机的控制设备

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的控制设备。

背景技术

所谓柴油燃烧，其中燃料被直接喷射到在燃烧室中的压缩空气中，自燃，并且通过扩散燃烧而燃烧，与火花点火燃烧相比有利之处在于其优异的热效率。虽然通常在柴油燃烧中使用的燃料是具有相对低的自燃温度的轻油，但是例如PTL1公开了一种技术，其中具有相对高的自燃温度的天然气被用作柴油燃烧中的燃料。具体而言，在压缩冲程的早期阶段或者中期阶段在燃烧室中的预定区域中执行燃料喷射，并且在前述区域中形成的空气燃料混合物就在压缩冲程的上死点之前点燃，以产生能够实现天然气在燃烧室中的自燃的高温、高压条件。此外，在压缩冲程的上死点后，燃料在高温、高压条件下被喷射到燃烧室中以用于扩散燃烧。

还通过在火花点火汽油发动机中通过扩散燃烧使汽油自燃并且燃烧进行了对于点燃汽油的尝试。例如，在PTL2中公开的技术中，在压缩冲程的第一半部中的时段中执行第一燃料喷射以在整个燃烧室中大致形成均匀的空燃比，并且通过该燃料喷射形成的燃料空气混合物被火花点火。此后，执行第二燃料喷射以燃烧由此喷射的燃料，使得剩余的燃料在由燃烧导致的燃烧室中的温度和压力升高情况下自燃。该技术能够扩大能够防止爆燃出现的运行范围，从而能够享有柴油燃烧的有利条件。

PTL3公开了一种与在PTL2中公开的技术一样涉及以抑制爆燃为目的的在汽油发动机中的柴油燃烧的技术。具体而言，在可能发生爆燃的汽油发动机的相对高负荷运行范围中，在压缩冲程的上死点之前的时段中执行第一燃料喷射，并且由此喷射的燃料通过火花点火而燃烧，并且在燃烧室中的压力由于燃烧而是高压的压缩冲程的上死点之后的时段中执行用于扩散燃烧的燃料喷射。在该项技术中，根据发动机速度来调节第一燃料喷射的正时以实现有利于抑制爆燃的燃烧。

引用列表

专利文献

PTL1：日本专利申请特开No.2003-254105

PTL2：日本专利申请特开No.2002-276442

PTL3：日本专利申请特开No.2007-64187

发明内容

技术问题

为了在使用具有相对高的自燃温度的燃料的内燃机诸如汽油发动机中引起柴油燃烧，有必要的是，在执行确定内燃机的动力的主喷射时，在燃烧室中的温度和压力足够高以允许喷射的燃料自燃并且通过扩散燃烧而燃烧。与上述现有技术的情形一样，紧在压缩冲程的上死点之后的主喷射之前执行第一喷射并且燃料被火花点火以燃烧，这样的第一喷射在压缩冲程期间导致燃烧。这是内燃机的动力下降的原因。因此，难以提高内燃机的热效率。进而，前述现有技术没有充分地描述提高在火花点火内燃机中的柴油燃烧期间的热效率。

已经鉴于以上问题完成了本发明，并且本发明的目的是实现在使用具有相对高的自燃温度的燃料的内燃机中的稳定的柴油燃烧以及柴油燃烧的热效率的提高。

问题的解决方案

在本发明中，为了解决上述问题，我们开发了一种控制设备，该控制设备促成预定方式的燃烧，其中在主要确定内燃机的动力的主喷射之前执行预喷射，通过预喷射喷射的燃料(其将在之后被称作“预喷射燃料”)被火花点火，并且此后至少通过主喷射喷射的燃料(其将在之后被称作“主喷射燃料”)通过柴油燃烧而燃烧。此外，在我们开发的燃烧控制中，当在上述方式的燃烧中预喷射燃料的量增加时，预喷射时间提前。利用上述特征，能够实现在内燃机中的稳定的柴油燃烧以及热效率的提高。应注意，在本发明的上下文中的词语“预”和“主”仅在其时序的优先性以及在后性方面来限定燃烧，并且不应以除了下文中描述的技术意义之外的任何限制性的意义来理解这些词语。

具体地，根据本发明，提供一种用于内燃机的控制设备，该控制设备包括：燃料喷射阀，所述燃料喷射阀能够将燃料喷射到所述内燃机的燃烧室中；点火装置，所述点火装置相对于所述燃料喷射阀的位置以通过所述燃料喷射阀喷射的燃料喷雾经过能够点火区域并且所述点火装置能够直接点燃所述燃料喷雾的方式来设定；以及控制装置，所述控制装置在压缩冲程期间在预定的预喷射时间通过所述燃料喷射阀执行预喷射，并且所述控制装置在所述压缩冲程的上死点之前在预定的喷射开始时间执行主喷射，使得能够在由预喷射燃料形成的预喷雾由所述点火装置点燃之后通过所述预喷射燃料的燃烧产生的火焰开始燃烧，从而导致产生自燃并且通过扩散燃烧来燃烧主喷射燃料的至少一部分的预定方式的燃烧，其中，当所述预喷射燃料的量增加时，所述控制装置响应于所述预喷射燃料的量的增加来使所述预喷射时间提前。

点火装置相对于燃料喷射阀的位置被以如下方式设定，即，点火装置能够将经过的燃料喷雾直接点燃，该燃料喷雾是通过燃料喷射阀喷射的并且经过能够点火区域的燃料喷雾。通常的情形是，根据当进气阀打开时的目标燃烧形式或者位于活塞顶部的腔等的形状借助于形成在燃烧室中的气流将空气燃料混合物带入点火装置的能够点火区域，使得燃料喷雾点燃。在点火的该通常应用的模式中，执行通过喷射阀进行的喷射的喷射时间大程度地取决于进气阀的打开时间以及活塞在气缸中的位置以及其他因素。与此相反，在根据本发明的用于内燃机的控制设备中，由于燃料喷射阀和点火装置的相对位置如上所述地相对于彼此设定，所以对于燃料喷射时间和点火时间的控制具有很高的灵活性，从而能够通过燃烧控制装置来控制燃料喷射，这将在后面描述。优选地，点火装置适于能够在期望的时间直接点燃通过燃料喷射阀喷射的经过的燃料喷雾而不考虑进气阀的打开时间和内燃机的活塞位置。

在通过燃烧控制装置实现的预定方式的燃烧中，首先执行在压缩冲程期间在预定的预喷射时间的预喷射以及由点火装置进行的预喷雾的点燃。此后，在压缩冲程的上死点之前在预定的喷射开始时间执行主喷射，使得产生自燃扩散燃烧。主喷射是以通过预喷射燃料产生的火焰开始燃烧的方式执行的燃料喷射。因此，预喷射和主喷射的相互关系被以如下方式控制，即，主喷射燃料的一部分由预喷射燃料的点火燃烧产生的火焰点燃并且此后产生自燃扩散燃烧。由此，执行预喷射的预定的预喷射时间不仅是在压缩冲程期间的喷射时间，而是考虑到预喷射时间与主喷射的相互关系来设定该预喷射时间，以便在主喷射后实现自燃扩散燃烧。

我们致力于发现根据本发明的预定方式的燃烧能够实现不能由现有技术实现的燃烧的稳定性以及内燃机的热效率的提高。引起以上效果的原因之一被认为是，通过燃烧室中的预喷射燃料的燃烧，在主喷射燃料的喷射时，预喷射和主喷射的上述相互关系产生了高温、高压条件并且预喷射燃料的一部分与主喷射燃料一起自燃并且通过扩散燃烧而燃烧以有效地有助于发动机动力。由本发明实现的燃烧稳定性以及内燃机的热效率的提高的原因不必限于上述内容，并且基于上述技术理念的所有控制设备均被包含在本发明的范围内，即使以上效果由其他原因实现。

在上述预定方式的燃烧中，当预喷射燃料的量由于内燃机的发动机负荷的增加或其他原因而增加时，燃烧控制装置根据预喷射燃料的量的增加来使预喷射时间提前。如果在预喷射时间是固定的情况下增加预喷射燃料的量，则在预喷射之后通过火花塞的点火而燃烧的燃料的量将增加。鉴于此，当预喷射燃料的量增加时，预喷射时间提前。认为即使在主喷射时，这也导致了在燃烧室中剩余的燃料的量的增加。由于即使在主喷射时在燃烧室中剩余的预喷射燃料与主喷射燃料一起经受自燃扩散燃烧，所以有助于发动机动力。此外，如果在预喷射时间是固定的情况下增加预喷射燃料的量，则在主喷射后局部地出现考虑到氧气而难以有效地实现扩散燃烧的情形，并且可能产生烟。如果根据预喷射燃料的量的增加使预喷射时间提前，则在燃烧室中的压力低于在预喷射时间未提前的情形中的燃烧室中的压力的状态下执行预喷射。由此，在燃烧室中的空气被有效地使用，并且能够防止或减少烟的产生。结果，能够在内燃机的较宽的运行范围上在具有上述燃烧的稳定性以及内燃机的热效率提高的情况下实现上述预定方式的燃烧。

在上述用于内燃机的控制设备中，响应于所述预喷射燃料的量的增加，所述燃烧控制装置可以使所述预喷射时间提前并且增加在所述预喷射时间和由所述点火装置的点火时间之间的点火间隔。能够通过调节点火间隔来调节预喷射和主喷射之间的相互关系。具体地，增大点火间隔导致在点火时燃烧室中的预喷射燃料的流动状态的变化。这继而导致通过点火装置的点火而燃烧的预喷射燃料的比例的减小以及与主喷射燃料燃烧的预喷射燃料的比例的增加，这被认为改变预喷射和主喷射之间的相互关系。从而，通过预喷射时间的提前实现了烟的减少以及内燃机的热效率的提高。

在如上所述的用于内燃机的控制设备中，当所述内燃机的发动机负荷等于或高于预定的第一负荷时，所述燃烧控制装置可以根据所述发动机负荷的增加来增加所述预喷射燃料的量并且根据所述预喷射燃料的量的增加来使所述预喷射时间提前。上述预定的第一负荷是在内燃机中的一个周期的燃烧中燃烧的喷射燃料的量较大的发动机负荷。在该情形中，在发动机负荷增加时，在主喷射之后在燃烧室中，一部分预喷射燃料和主喷射燃料存在于可用空气局部不足的状态下。在该状态下，可能产生烟。作为对此的对策，在本发明中，如上所述响应于发动机负荷的增加，预喷射量增加并且其喷射时间提前。由此，能够实现对于增加的发动机负荷的适应性以及烟的减少。在本发明中，由于预喷射和主喷射彼此关联，所以当预喷射燃料的量增加时，预喷射燃料的一部分与主喷射燃料一起燃烧。因此，内燃机的热效率能够被保持在满意的水平。

在上述用于内燃机的控制设备中，当所述内燃机的发动机负荷等于或高于比所述第一负荷高的预定的第二负荷时，所述燃烧控制装置可以在将所述主喷射燃料的量保持在预定的上限量的同时根据所述发动机负荷的增加来增加所述预喷射燃料的量，并且所述燃烧控制装置根据所述预喷射燃料的量的增加来使所述预喷射时间提前。上述预定的第二负荷是如下发动机负荷，即，如果主喷射燃料的量随着在内燃机的一个周期的燃烧中燃烧的喷射燃料的量进一步增加而增加，则出现可能由于主喷射燃料的蒸发潜热的影响产生烟的可能性。因此，当发动机负荷达到或超过较高的第二负荷时，主喷射燃料的量被保持在预定的上限量以不超过上限量，从而减少烟。通过增加预喷射燃料的量并且使预喷射时间提前来实现响应于发动机负荷的增加的燃料的量的增加。通过执行用于预定方式的燃烧的上述控制，能够在内燃机的较宽的高负荷范围内应用预定方式的燃烧。

在上述用于内燃机的控制设备中，当所述内燃机的发动机负荷在预定的低负荷范围中时，所述燃烧控制装置可以不根据所述内燃机的发动机负荷增加所述预喷射量的量，而是所述燃烧控制装置将所述预喷射燃料的喷射量保持在最小预喷射量，所述最小预喷射量是在所述预喷射中的最小喷射量。当内燃机的发动机负荷在预定的低负荷范围中时，在一个周期中的燃料喷射量相对小。在该情形中，如果使预喷射燃料的量不合理地大，则主喷射燃料的量减小。因而，即使建立预喷射和主喷射之间的上述相互关系，主喷射燃料的量的减小也能够导致内燃机的热效率的显著减小。另一方面，如果使预喷射燃料的量不合理地小，则不能够适当地产生用于点燃主喷射燃料的火焰或者不能够适当地建立用于扩散燃烧的在燃烧室中的高温、高压条件，从而可能导致不稳定的燃烧。因此，前述最小预喷射量被设定为这样一个量，即，预喷射燃料量在低负荷范围被保持在所述量以实现内燃机的令人满意的热效率以及在低负荷范围中的燃烧稳定性。

发明的有益效果

根据本发明，能够在使用具有相对高的自燃温度的燃料的内燃机中实现稳定的柴油燃烧以及热效率的提高。

附图说明

[图1]图1是示出本发明的实施例所应用到的内燃机的进气系统和排气系统的整体构造的视图。

[图2]图2是示出由图1所示的内燃机所装配的点火装置进行的点火模式的视图。

[图3]图3是示出由根据本发明的用于内燃机的控制设备执行的燃烧控制(这将在下文中被称作“根据本发明的燃烧控制”)的视图。

[图4]图4是在利用根据本发明的燃烧控制的燃烧室中的放热率的变化的第一图示。

[图5]图5是示出在图1中示出的内燃机中执行根据本发明的燃烧控制中的预喷射的情形中，预喷射量和预喷射燃料的燃烧效率之间的关系的图示，其中对于不同的预喷射时间执行测量。

[图6]图6是在利用根据本发明的燃烧控制的燃烧室中的放热率的变化的第二图示。

[图7]图7包括在根据本发明的燃烧控制被应用到图1示出的内燃机的情形中示出发动机负荷和热效率之间的关系的实例的图示以及示出发动机负荷和燃烧室中的空然比之间的关系的实例的图示。

[图8]图8是示出在根据本发明的燃烧控制中在低负荷状态下内燃机中的预喷射量和热效率之间的关系的图示。

[图9]图9包括在根据本发明的燃烧控制中对于不同的预喷射量示出在气缸中的压力的变化的图示和示出放热率的变化的图示。

[图10]图10是示出在根据本发明的燃烧控制中随着预喷射和主喷射之间的喷射间隔的变化的热效率的变化的图示。

[图11]图11是在根据本发明的燃烧控制被应用到图1所示的内燃机的情形中随着预喷射燃料的量的增加以及预喷射时间的提前示出产生的烟量的变化的图示以及示出热效率的变化的图示。

[图12]图12是示出在根据本发明的燃烧控制被应用到图1所示的内燃机的情形中对于不同的预喷射量测量到的产生的烟量与热效率之间的关系的图示。

[图13]图13是应用到图1所示的内燃机的根据本发明的燃烧控制的流程图。

[图14]图14是示出用于图1所示的内燃机的用于预喷射、预喷射燃料的点火以及主喷射的控制映射图的第一图示。

[图15]图15是示出用于图1所示的内燃机的用于预喷射、预喷射燃料的点火以及主喷射的控制映射图的第二图示。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的具体实施例。除非具体说明，否则将关于实施例描述的部件的尺寸、材料、形状、相对布置关系和其他特征不旨在将本发明的技术范围仅限于此。

实例1

图1是本发明所应用到的内燃机的进气系统和排气系统的整体构造的视图。图1中示出的内燃机1是具有多个气缸的四冲程循环火花点火内燃机(汽油发动机)。图1示出多个气缸中的仅一个气缸。

在内燃机1的每个气缸2中，活塞3均被以可滑动方式设置。活塞3通过连接杆4与输出轴(曲轴)连结，输出轴在图中未示出。气缸2的内部与进气口7和排气口8连通。通向气缸2的进气口7的端部由进气阀9打开/关闭。通向气缸2的排气口8的端部由排气阀10打开/关闭。进气阀9和排气阀10分别由在图中未示出的进气凸轮和排气凸轮驱动以打开/关闭。

此外，每个气缸2均设有用于将燃料喷射到气缸中的燃料喷射阀6。燃料喷射阀6被设置在形成在气缸2中的燃烧室的顶部的中央部处。此外，能够点燃通过燃料喷射阀6喷射的燃料的火花塞5被设置在内燃机1的气缸头中。具体而言，如图2所示，燃料喷射阀6具有喷射口6a，利用该喷射口6a能够几乎沿着径向在16(十六)个方向上喷射燃料。火花塞5相对于燃料喷射阀6的位置，具体而言，火花塞5能够点火的在电极之间的区域5a的相对于燃料喷射阀6的位置被布置成使得从喷射口6a喷射的燃料喷雾或燃料射流中的至少一个经过区域5a并且使得由此经过区域5a的燃料喷雾能够直接由在区域5a中流动的电极间电流点燃。火花塞5位于两个进气阀9之间，使得火花塞不与进气阀9和排气阀10的操作干涉。

如上构成的火花塞5和燃料喷射阀6能够执行喷雾引导燃烧。换言之，火花塞5和喷射阀6能够在任何期望时间实现经过区域5a的喷射燃料的点火，而不考虑内燃机1的进气阀9的打开正时以及活塞3的位置，该火花塞5被以能够直接点燃通过燃料喷射阀6喷射的燃料的方式布置。另一方面，在进气阀打开的情况下通过燃料喷射阀喷射的燃料借助于流入燃烧室中的空气被带入火花塞的邻近区域以点燃该燃料的空气引导燃烧的情形中以及在利用设置在活塞的顶部上的腔室的形状将喷射的燃料带入火花塞的邻近区域以点燃该燃料的壁引导燃烧的情形中，难以执行燃料喷射和点火，除非达到用于打开进气阀的预定时间并且建立预订活塞位置。与空气引导燃烧和壁引导燃烧相比，根据该实例的喷雾引导燃烧允许非常灵活的燃料喷射以及点火正时控制。

返回图1，进气口7与进气通路70连通。进气通路70设有节流阀71。空气流量计72在节流阀71的上游被设置在进气通路70中。另一方面，排气口8与排气通路80连通。用于净化从内燃机1排出排气的排气净化催化剂81被设置在排气通路80中。如将在之后描述的，从内燃机1排出的排气具有比化学计量比稀薄的空燃比，并且能够去除在具有这种稀薄的空燃比的排气中的NOx的选择性催化还原NOx催化剂和能够捕捉在排气中的微粒物质(PM)的过滤器可以被应用作为排气净化催化剂81。

此外，电子控制单元(ECU)20被附加到内燃机1。ECU20是控制内燃机1和排气净化设备等的运行状态的单元。ECU20与前述空气流量计72、曲柄位置传感器21、加速器位置传感器22电连接，并且传感器的测量值被供应到ECU20。由此，ECU20能够识别内燃机1的运行状态，诸如，基于空气流量计72的测量结果来识别进气量，基于曲柄位置传感器21的测量结果来识别发动机速度，并且基于加速器位置传感器22的测量结果来识别发动机负荷。ECU20还与燃料喷射阀6、火花塞5和节流阀71等电连接。这些部件均由ECU20来控制。

<燃烧控制>

现在将参考图3描述在具有上述构造的内燃机1中执行的燃烧控制。图3(a)从图的左侧到右侧按时间顺序示意性地示出在内燃机1中执行的燃烧控制中的燃料喷射和点火过程(见图3(a)的上排)以及与由于燃料喷射和点火导致的在燃烧室中相继发生的燃烧有关的现象(见图3(a)的下排)。图3(b)按时间线示出包括在图3(a)中示出的燃料喷射中的预喷射和主喷射的关系，以及点火。图3示出的模式仅作为根据本发明的燃烧控制的示意性说明给出，并且不应认为将本发明限制于该模式。

在根据本发明的燃烧控制中，在一个周期中执行预喷射和主喷射。预喷射是在压缩冲程期间在预定时间通过燃料喷射阀6执行的燃料喷射。主喷射是在预喷射之后并且在压缩冲程的上死点(TDC)之前的时间也通过燃料喷射阀6执行的燃料喷射。如图3(b)所示，预喷射的喷射开始时间(这将在后文中被简单地称作“预喷射时间”)由Tp表示，并且主喷射的喷射开始时间(这将在后文中被简单地称作“主喷射时间”)由Tm表示。预喷射和主喷射之间的间隔(Tm－Tp)被限定为喷射间隔Di。利用预喷射的燃烧作为上述喷雾引导燃烧执行，并且使用火花塞5来点燃通过预喷射喷射的燃料(这将在后文中被称作“预喷射燃料”)。如图3(b)中所示该点火的时间由Ts表示，并且从预喷射的开始到点火的时间的间隔(Ts－Tp)被限定为点火间隔Ds。

在下文中，将描述根据本发明的燃烧控制的过程。

(1)预喷射

在基本燃烧控制中的一个周期中，在压缩冲程期间、在预定时间首先执行预喷射。与之后描述的主喷射相关地确定预喷射时间Tp。在预喷射开始之后，如图2所示，通过燃料喷射阀6喷射的燃料经过燃烧室中的火花塞5的能够点火区域5a。紧接在预喷射的开始之后，预喷射燃料不在燃烧室中广泛地散开而是通过喷射的穿透力在卷入在喷雾射流的前端周围的空气的同时在燃烧室中行进。因此，预喷射燃料在燃烧室中产生分层的空气燃料混合物。

(2)预喷射燃料的点火

在从预喷射的开始起的点火间隔Ds之后的时间Ts由火花塞5点燃由此分层的预喷射燃料。如上所述，由于预喷射燃料分层，所以局部的空燃比处于允许通过该点火进行燃烧的水平。除了由该活塞3进行的压缩的效果之外，由此点燃的预喷射燃料的燃烧的过程也引起在燃烧室中的进一步的温度升高。另一方面，在本发明中，预喷射燃料的一部分不通过火花塞5的点火而燃烧而是保留在燃烧室中作为“未燃烧剩余燃料”。由于未燃烧剩余燃料已经暴露于由在燃烧室中的预喷射燃料的一部分的燃烧导致的高温氛围，所以期望未燃烧剩余燃料的至少一部分在不导致其燃烧的条件下通过低温氧化来改良该燃料以提高其燃烧性。然而，应注意，在本发明中，未燃烧剩余燃料指的是保持还未通过火花塞5的点火而燃烧的预喷射燃料的一部分，并且未燃烧的剩余燃料不必处于示出特定特性的状态。

(3)主喷射

在从预喷射的开始起的喷射间隔Di之后的时间Tm，换言之，在从由火花塞5进行的点火的时间Ts经过等于Di－Ds的时间之后在压缩冲程的上死点之前的时间Tm，执行通过喷射阀6的主喷射。在该内燃机1中，主喷射燃料通过扩散燃烧而燃烧以如将在后面描述的有助于发动机动力的大部分。主喷射的喷射开始时间Tm被设定成通过利用发动机负荷和其他因素确定的主燃料喷射的量获得的发动机动力是几乎最大的时间(这将在后文中被称作“适当的喷射时间”)。在时间Tm处开始的通过主喷射喷射的燃料的一部分由预喷射燃料的燃烧产生的火焰点燃并且燃烧，从而在燃烧室中的温度进一步升高。此外，预喷射燃料的未燃烧剩余物以及主喷射燃料在温度升高的情况下自燃并且经受扩散燃烧。如上所述，在未燃烧剩余燃料的燃烧性已经提高的情况下，期望主喷射燃料的燃烧进行地更顺利。

如上所述，在根据本发明的燃烧控制中，通过在预喷射和主喷射之间的时段中介入由火花塞5进行的点火而发生上述一系列燃烧。在预燃烧中，预喷射的喷射时间或喷射间隔Di被以在适当的喷射时间执行主喷射的情况下实现上述一系列燃烧的方式设定。在该说明书中，导致由预喷射燃料的火焰开始的主喷射燃料的燃烧并且导致预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料的自燃和扩散燃烧发生的预喷射和主喷射之间的相互关系将在后文中被称作“预主相互关系”。由此，在根据本发明的燃烧控制中，执行与预喷射和预喷射燃料的点火具有预主相互关系的主喷射。

图4示出了在执行根据本发明的燃烧控制的情形中在燃烧室中的放热率的变化。图4示出了在内燃机1的发动机速度是2000rpm的情形中与四个不同的控制模式(L1至L4)对应的放热率的变化。在这些控制模式中，虽然预喷射时间Tp、预喷射量、主喷射时间Tm和点火时间Ts相同，但是主喷射量在控制模式之间是变化的(具体而言，主喷射量如L1>L2>L3>L4地变化)。由此，在控制模式之间预主相互关系是相同的，并且图4示出了在预主相互关系是相同的条件下放热率的变化随着主喷射量的改变的改变。

在图4中，放热率在由虚线圈起的部分Z1中示出了第一峰值。该峰值由点火产生的热以及预喷射燃料的燃烧导致。在部分Z1的时段中，还未执行主喷射，并且在燃烧室中存在由预喷射燃料和未燃烧的剩余燃料或者预喷射燃料的未燃烧部分产生的火焰。现在，将参考图5描述预喷射燃料的未燃烧剩余物。图5示出了对于三个燃烧条件(L5至L7)的预喷射量和预喷射燃料的燃烧效率的相互关系，其中假设预喷射是在图4中所示的燃烧控制中执行的预喷射。具体而言，作为燃烧条件的预喷射时间Tp和点火时间Ts按照L5、L6和L7的顺序提前，同时点火间隔Ds或者时间Tp和时间Ts之间的间隔是固定的。图5示出了在仅执行预喷射和点火而不执行主喷射的情形中的上述相互关系。

由以下等式1表示预喷射燃料的燃烧效率以及预喷射燃料的未燃烧剩余物率的关系，并且，燃烧效率越高，未燃烧剩余物率越低。

[数学式1]

(预喷射燃料的未燃烧剩余物率)＝1-(预喷射燃料的燃烧效率)

(等式1)

参考图5，如果在预喷射量是固定的同时使预喷射时间Tp和点火时间Ts提前，则预喷射燃料的燃烧效率倾向于减小，并且从而未燃烧剩余物率倾向于增大。可替代地，能够通过调节预喷射量以及预喷射时间Tp和点火时间Ts的提前程度来保持预喷射燃料的燃烧效率或者未燃烧剩余物率恒定。如上所述，根据本发明的燃烧控制能够通过控制预喷射量、预喷射时间Tp和点火时间Ts来控制预喷射燃料的未燃烧剩余物率，该预喷射燃料的未燃烧剩余物率是预主相互关系的因素之一。

返回到图4，在部分Z1之后的压缩冲程的上死点之前的时间Tm处执行主喷射。随后，主喷射燃料和预喷射燃料的未燃烧剩余物通过由预喷射燃料产生的火焰一起被点燃并且自燃以通过扩散燃烧而燃烧。因此，放热率的最高峰值(第二峰值)出现在超过压缩冲程的上死点的时间处。在主喷射量增加时，在第二峰值处的放热率的最高值增加，并且峰值的时间延迟。这意味着，随着主喷射量的增加主喷射燃料的燃烧的持续时间增加，从而推测主喷射燃料和预喷射燃料的未燃烧剩余物经受扩散燃烧或者能够被视为与扩散燃烧基本上等同的燃烧。

将参考图6描述根据本发明的燃烧控制中产生的自燃。图6示出对于两个模式(L9、L10)的在燃烧室中的放热率的变化，在所述两个模式中，预喷射量和主喷射量的比率是变化的，而在一个周期中的总喷射量(即，预喷射量和总喷射量的和)保持不变。在图6所示的情形中，内燃机1的发动机速度是2000rpm。与在模式L9中相比，模式L10中的预喷射量的比例较大。换言之，与在模式L9中相比，模式L10中的预喷射量和预喷射燃料的未燃烧剩余物较大，而主喷射量较小。如根据图6将理解的，与在模式L9中相比，模式L10中的在压缩冲程的上死点之后出现的放热率的峰值(前述第二峰值)较高。此外，与在模式L9中相比，模式L10中的从放热率的峰值的下降率(在图示中的曲线的倾斜)较大。推测上述实际情况暗示了与在模式L9中相比，在模式L10中更加促进了在主喷射的开始之后的由自燃导致的主喷射燃料和预喷射燃料的燃烧(即，通过自燃燃烧的燃料的比例较大，而通过扩散燃烧而燃料的燃料的比例较小)。换言之，认为预喷射燃料的未燃烧剩余物有助于促进在主喷射之后的自燃。我们证实如果不仅通过控制预喷射量而且通过控制预喷射时间Tp和点火时间Ts来执行根据本发明的燃烧控制，则促进了自燃。如上所述，在根据本发明的燃烧控制中，能够通过控制与预喷射和点火相关的条件来促进在燃烧主喷射燃料和预喷射燃料中的自燃。

如上所述，如图7所示，通过利用在预喷射和主喷射之间的时段中介入由火花塞5进行的点火的上述一系列的燃烧，根据本发明的燃烧控制能够获得不能由现有技术获得的热效率。图7示出了在内燃机1的发动机速度是2000rpm的情形中发动机负荷和热效率之间的关系(上图示(a))以及发动机负荷和空气燃料混合物的空燃比之间的关系(下图示(b))。在图7的图示(a)和(b)中，曲线L11和L13用于根据本发明的燃烧控制，并且曲线L12和L14用于均质的化学计量比控制，均质的化学计量比控制是在汽油发动机中应用的传统的燃烧控制。均质的化学计量比控制是控制燃烧使得在燃烧室中的空气燃料混合物的空燃比均质地变成等于与化学计量比接近的空燃比的燃烧控制。

如将根据图7理解的，在根据本发明的燃烧控制中，由于在由预喷射和由火花塞5进行的点火引起的喷雾引导燃烧之后执行导致自燃扩散燃烧发生的主喷射，所以根据该控制的燃烧类似于所谓的柴油燃烧或者能够被视为与柴油燃烧基本等同。因此，允许在燃烧室中的空气燃料混合物的空燃比极其稀薄(在由图7(b)中的曲线L13表示的示例情形中，空燃比近似在20和70之间)。在根据本发明的燃烧控制中，为了以如此稀薄的空燃比实现燃烧，与在汽油发动机中的传统均质化学计量比控制相比，可以使节流阀71的开度较大。因此，能够使内燃机1中的泵送损失较小。此外，与在汽油发动机中的传统均质化学计量比控制相比，自燃扩散燃烧能够使内燃机1中的冷却损失较小。从而，执行根据本发明的燃烧控制的内燃机1的热效率非常高。

<根据本发明的燃烧控制的详细描述>

如上所述，根据本发明的燃烧控制通过执行预喷射、预喷射燃料的点火以及与预喷射具有预主相互关系的主喷射提供了如图7所示的不能由现有技术提供的有利效果。在下文中，将详细描述在该燃烧控制中的三个技术因素，即，(1)预喷射量、(2)喷射间隔和(3)预喷射时间。认为这些因素与预主相互关系高度相关，预主相互关系是预喷射和主喷射之间的相互关系。

(1)预喷射量

在根据本发明的燃烧控制中，如图3中所示，在压缩冲程期间在时间Tp处执行预喷射。因此，由火花塞5点燃的预喷射燃料的燃烧阻碍内燃机1的发动机动力。然而，在根据本发明的燃烧控制中，在由点火导致的燃烧中燃烧的燃料仅是预喷射燃料的一部分，并且对于发动机动力的阻碍效果是小的。在由点火导致的燃烧中还未燃烧的预喷射燃料的未燃烧剩余物在主喷射之后与主喷射燃料一起在自燃扩散燃烧中燃烧，以有助于发动机动力。如上所述，在适当的喷射时间执行的主喷射极大地有助于内燃机1的发动机动力，但是如果主喷射量大，则存在自燃扩散燃烧可能由主喷射燃料的蒸发潜热影响从而变得不稳定并且由主喷射形成的燃料喷雾的周围的空气(氧气)不足可能导致产生的烟量增加的可能性。出于这些原因，对于主喷射量的增加量设置了一定限制。因此，为了响应于发动机动力的增加，有必要进一步增加预喷射燃料的贡献。由此，预喷射燃料和主喷射燃料彼此相关。将考虑到该实际情况详细地讨论预喷射量。

(1-1)在低负荷状态

在内燃机1的发动机负荷相对低的低负荷状态中，总喷射量或预喷射量和主喷射量的总和通常是小的。图8示出了在低负荷状态下预喷射量和内燃机1的热效率之间的关系。在图8中示出的说明性情形中，示出在总喷射量固定的情况下预喷射量变化的情形中的关系。如果在低负荷状态下预喷射量小，例如，如果预喷射量比在图8中的Mp1小，则由预喷射燃料的点火燃烧产生的热量过小使得主喷射燃料和预喷射燃料的未燃烧的剩余物的自燃和扩散燃烧难以稳定地进行。因此，如果预喷射量变得比Mp1小，则内燃机1地热效率逐渐减小，并且最终将出现主喷射燃料不能被点燃的失火状态。在图8中，燃烧不稳定的预喷射量的范围(即，在Mp1以下的范围)被示为不稳定燃烧范围R1。为了实现在低负荷状态下的稳定燃烧，不期望预喷射量小于Mp1。

如果在低负荷状态下预喷射量大，例如，如果预喷射量大于图8中的Mp2，则通过火花塞5进行的点火引起的燃烧倾向于被促进，从而预喷射燃料的未燃烧剩余物率降低。换言之，经受在有助于发动机动力的主喷射之后的燃烧的未燃烧剩余物的量的比例减少。此外，主喷射量以与预喷射量的增加量相等的量减少。因此，即使考虑到在增加的预喷射量的情况下未燃烧剩余物的贡献，由于主喷射燃料的减少导致的发动机动力的减少也明显变大。在图8中，如上所述热效率由于发动机动力的下降而劣化的预喷射量的范围(即，Mp2以上的范围)被表示为热效率劣化范围R2。为了保持高的热效率，期望预喷射量不大于Mp2。

图9对于三种模式示出了燃烧室中压力的变化(L15至L17)以及燃烧室中的放热率的变化(L18至L20)，在所述三种模式中，当内燃机1在低负荷状态下时，在总喷射量相同的同时预喷射量是变化的。具体而言，在压力变化的图示中，预喷射量以L15、L16和L17的顺序增加。在放热率变化的图示中，预喷射量以L18、L19和L20的顺序增加。L15和L18之间的预喷射量是相同的，L16和L19之间的预喷射量是相同的，并且L17和L20之间的预喷射量是相同的。当预喷射量小时，其燃烧产生的热小。从而，如图9所示，燃烧室中的压力的上升延迟(见L15)，并且通过主喷射燃料产生热也延迟(见L18)。由此能够看出燃烧是不稳定的。另一方面，当预喷射量大时，主喷射量小，从而导致发动机动力的减少。从而，燃烧室中的压力不充分地升高(见L17)，并且通过主喷射燃料产生的热小(见L20)。

从上面的讨论得出，当内燃机1在低负荷状态时，优选的是以在范围Rp内的预喷射量(即，以在图9中示出的对于L16和L19的预喷射量)执行预喷射，该范围Rp的下限由Mp1限定并且上限由Mp2限定。在内燃机1中的热效率在图8中示出的范围Rp中不大程度地变化的情形中，落入范围Rp中的预喷射量的某个值可以被用作在低负荷状态下的代表性预喷射量或者最小预喷射量。在该情形中，当内燃机1的发动机负荷在低负荷状态下增加时，通过在将预喷射量固定在上述代表性的值的同时增加主喷射量能够将内燃机1的热效率保持在高水平。

(1-2)高负荷状态

在内燃机1的发动机负荷相对高的高负荷状态下，主喷射量增加以对要求发动机负荷作出响应。然而，如果在压缩冲程的上死点之前在适当的喷射时间执行的主喷射中喷射大量的燃料，则喷射的燃料的蒸发潜热的效果变得明显。例如，将在图4中示出的部分Z2中看出，在主喷射量增加时，随着主喷射的放热率的升高由于其蒸发潜热的效果而延迟。由此，在蒸发潜热变大时，内燃机中的温度的升高明显地下降。从而，存在预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料的自燃扩散燃烧变得不稳定的可能性。此外，当主喷射量大时，存在由主喷射形成的燃料喷雾周围的空气(氧气)不足可能导致产生的烟量的增加的可能性。鉴于此，在高负荷状态下，优选的是对于主喷射量设定上限以使自燃扩散燃烧稳定并且减少烟量。为了响应发动机负荷的增加，在主喷射量被保持在上限值的同时增加预喷射量。如上所述，在根据本发明的燃烧控制中，在预喷射和主喷射之间存在预主相互关系，并且预喷射燃料的未燃烧剩余物有助于发动机动力。因此，即使当不能够在高负荷状态下增加主喷射量时，也能够通过增加预喷射燃料从而增加预喷射燃料的未燃烧剩余物来对发动机负荷的增加的要求作出响应。

之后将描述内燃机1的发动机负荷和预喷射燃料之间的相互关系的详细内容。

(2)喷射间隔

在根据本发明的燃烧控制中，在压缩冲程期间在时间Tp处执行预喷射，并且在压缩冲程的上死点之前在时间Tm处执行主喷射，如图3所示。它们的间隔(Tm－Tp)被限定为喷射间隔Di。在根据本发明的燃烧控制中，在通过预喷射燃料的燃烧产生的火焰和预喷射燃料的未燃烧剩余物上执行主喷射，使得引起未燃烧剩余燃料和主喷射燃料的自燃和扩散燃烧。因此，认为在主喷射时确定由预喷射燃料的燃烧产生的火焰以及预喷射燃料的未燃烧剩余物的状态的喷射间隔是预主相互关系的因素之一。在该实例中，通过曲柄角度来表示或测量喷射间隔。

图10示出喷射间隔Di和内燃机1的热效率之间的关系。在图10中示出的示意性情形中，示出在喷射间隔Di在预喷射量、主喷射量和点火间隔Ds被固定的的情况下变化情形中的关系。在根据本发明的燃烧控制中，使用一个相同的燃料喷射阀6在预喷射之后执行主喷射。燃料喷射阀6通常被构造成通过提升设置在内部的喷射针通过喷射口来喷射燃料。因此，存在燃料喷射阀6的机械结构因素所需的喷射间隔的最小可行值Di1，所述机械结构因素诸如是使喷射针移动并且返回花费的时间。在图10中，由于燃料喷射阀6的机械结构因素导致不能实现的喷射间隔的范围(即，在Di1以下的范围)被表示为机械限制范围R3。

在喷射间隔Di增加时，执行主喷射的时间靠近预喷射燃料的点火导致的燃烧过程的结尾。在接近结尾时，预喷射燃料的燃烧将结束。在该情况下，难以通过预喷射燃料的火焰来开始主喷射燃料的燃烧。如果喷射间隔Di进一步增加，则存在主喷射燃料不能燃烧从而导致失火的可能性。从而，如果喷射间隔Di过长(即，在图10中的Di2以上的范围中)，则根据本发明的燃烧控制不能有利地执行，并且内燃机1的热效率将劣化。热效率显著劣化的喷射间隔Di的范围被表示为图10中的热效率劣化范围R4。热效率下降范围R4的下限值(图10中的Di2)随着预喷射燃料量改变。在预喷射燃料量增加时，通过点火开始的预喷射燃料的燃烧持续较长时间。从而，即使使得喷射间隔Di较长，也能够开始主喷射燃料的燃烧。

如上所述，优选的是，在下限由Di1限定并且上限由Di2限定的范围Rd中将喷射间隔Di设定成喷射间隔Di0，在喷射间隔Di0处，内燃机1的热效率具有峰值。以后将描述内燃机1的发动机负荷和喷射间隔Di之间的关系的详细内容。

(3)预喷射时间Tp

在根据本发明的燃烧控制中，在已经执行预喷射燃料的预喷射和点火之后执行主喷射。通过预喷射燃料的燃烧的火焰来开始主喷射燃料的燃烧，并且主喷射燃料自燃且通过扩散燃烧与预喷射燃料的未燃烧剩余物一起燃烧。在主喷射燃料的燃烧的早期阶段，预喷射燃料的火焰及其未燃烧剩余物在燃烧室中分布不均。在该情况中，主喷射燃料和空气的混合倾向于不被促进，并且可能产生烟。特别是在主喷射量大的情形中，可能产生烟。烟量的增加导致对喷射燃料的有效燃烧的阻碍，并且内燃机1的热效率倾向于随着烟量的增加而降低。另一方面，为了提高内燃机1的热效率，优选的是在压缩冲程的上死点之前在适当的喷射时间执行主燃料喷射。由此，为了减少烟，优选的是控制预喷射时间Tp以便调节主喷射燃料和预喷射燃料的未燃烧剩余物的相互作用。由此，认为预喷射时间Tp也是预主相互关系的因素之一。

图11对于三个模式(见图11的视图(a))示出了产生的烟量和预喷射时间Tp之间的关系(见图11的图示(b))以及热效率和预喷射时间Tp之间的关系(见图11的图示(c))，在所述三个模式中，在预喷射和主喷射的总喷射量固定的情况下预喷射量和主喷射量的比例变化，其中主喷射时间Tm被固定在压缩冲程的上死点之前的预定时间处，并且预喷射时间Tp是变化的。关于点火时间，在所有模式中点火间隔Ds(即，从预喷射时间Tp到点火时间Ts的时段)是相同的。在模式1至3中预喷射量和主喷射量的比例如下：

模式1:预喷射量＝X1，主喷射量＝Y1，

模式2:预喷射量＝X2，主喷射量＝Y2，以及

模式3:预喷射量＝X3，主喷射量＝Y3，

其中，X1>X2>X3,Y1<Y2<Y3，并且X1＝Y1。

在图11的图示(b)中，在模式1中的烟量的变化由L24表示，在模式2中的烟量的变化由L25表示，并且在模式3中的烟量的变化由L26表示。在图11的图示(c)中，在模式1中的热效率的变化由L27表示，在模式2中的热效率的变化由L28表示，并且在模式3中的热效率的变化由L29表示。在模式1中的烟和热效率的测量点由圆圈表示，在模式2中的烟和热效率的测量点由三角表示，并且在模式3中的烟和热效率的测量点由菱形表示。在各模式中热效率最高的曲柄角度(或者预喷射时间Tp)处的烟和热效率的测量点由实心的黑色圆圈、三角形和菱形表示。

这里，在关注前述实心的黑色测量点的同时，我们考虑从模式3切换到模式2并且然后切换到模式1。通过增加预喷射量并且使预喷射时间Tp提前，能够在减少或保持产生的烟量(见图11的图示(b))的同时将内燃机1的热效率保持在最高水平附近。当预喷射量增加时，主喷射量相反地减少。然而，通过使预喷射时间Tp提前，能够增加预喷射燃料的未燃烧剩余物。如果较大量的未燃烧剩余燃料与主喷射燃料一起经受自燃扩散燃烧，则能够补偿由于主喷射量的减少导致的动力的下降。从而，能够将内燃机1的热效率保持在满意的水平。即使预喷射量增加，也能够通过使预喷射时间Tp提前来控制烟量。这被认为是因为如果预喷射时间Tp提前，则在内燃机中的压力较低时执行预喷射，从而使预喷射燃料的穿透力相对较高，以便使用在燃烧室中的空气(氧气)有效地燃烧预喷射燃料。即使预喷射量增加，预喷射燃料和空气的这种有效的混合也能够减少在燃烧室中的预喷射燃料的未燃烧剩余物的分布不均，并且减少烟量。此外，使预喷射时间Tp提前导致喷射间隔增加，从而能够防止产生预喷射燃料的未燃烧剩余物与主喷射燃料的重叠。从而，还能够防止可能在预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料重叠时出现的由于可用空气的局部不足导致的烟的产生。

将理解的是，如果假设在将预喷射时间Tp固定到例如时间Ta的同时根据模式1至3来执行预喷射，则由于预喷射量增加，所以烟量增加并且内燃机1的热效率减少，其中在时间Ta处，在图11的图示(c)中在模式3中获得最高的热效率。根据该事实还将理解的是，在增加预喷射燃料的情况下使喷射时间提前的控制预喷射的上述方法在减少烟并且提高热效率方面是非常有效的。毋庸置疑，使待执行的预喷射以允许保持预主相互关系的一定程度提前是有必要的，并且不合理地使预喷射时间Tp提前将难以有利地燃烧主喷射燃料。

图11中的图示(b)和(c)中示出的模式1至3中的测量点能够被转换成在具有表示产生的烟量的横轴和表示内燃机1的热效率的纵轴的图示中的图表。图12示出产生的烟量和热效率的该相关性。在图12中由虚线R5圈成的测量点处在产生的烟量小并且内燃机1的热效率高的范围中。在各模式中表示最高的热效率的测量点落入该范围R5中。根据该事实还将充分理解的是，根据本发明能够在保持内燃机1的热效率的同时减少产生的烟量。

<燃烧控制流程>

图13示出了根据本发明在内燃机1中的燃烧控制的具体过程的流程。通过在内燃机1运行期间执行储存在ECU200中的控制程序来重复地执行图13中示出的燃烧控制。图14示出了在燃烧控制的过程中使用的示例性控制映射图。在图14中的上图示(a)中，线L30表示内燃机1的发动机负荷和预喷射量之间的关系，线L31表示发动机负荷和主喷射量之间的关系，并且线L32表示发动机负荷和负荷适用喷射量之间的关系，该负荷适用喷射量是适于发动机负荷的燃料喷射量。此外，图14中的上图示(a)还示出与发动机负荷相关的预喷射燃料的未燃烧剩余物M1。在图14中的下图示(b)中，L33表示内燃机1的发动机负荷和预喷射时间Tp之间的关系，L34表示发动机负荷和点火时间Ts之间的关系，并且L35表示发动机负荷和主喷射时间Tm之间的关系。图14中的图示(b)的横轴表示喷射时间，其中较大值表示从压缩冲程的上死点的较大提前量。

首先，在步骤S101中，基于加速器位置传感器22的测量值来计算内燃机1的发动机负荷。可替代地，可以基于进气通路70中的空气流量，即空气流量计72的测量值或进气通路70中的进气压力来计算内燃机1的发动机负荷。然后，在步骤S102中，基于在步骤S101中计算的发动机负荷来确定负荷适用喷射量S0。具体地，使用由图14中的图示(a)中的线L32表示的控制映射图来计算适于发动机负荷的负荷适用喷射量S0。在该实例中，在控制映射图中记录了发动机负荷和负荷适用喷射量S0之间的关系，其中负荷适用喷射量S0随着发动机负荷增加而增加。在完成步骤S102的处理之后，过程前进到步骤S103。

在步骤S103中，使用由图14的图示(b)中的线L35表示的控制映射图来确定主喷射时间Tm。如上所述，为了提高内燃机1的热效率，主喷射时间Tm被设定成在压缩冲程的上死点之前的适当喷射时间。已经通过对于内燃机负荷的每个值预先进行的实验测量了内燃机1的适当喷射时间，并且已经基于测量的结果准备了由线L35表示的控制映射图。在示例性情形中，在发动机负荷增加时主喷射时间Tm逐渐提前，但是主喷射时间Tm被保持在高负荷范围R8(即，负荷适用喷射量S0等于或大于S2的范围，这将在以后描述)中的上限提前量。这是因为根据被保持在将在之后描述的高负荷范围R8中的恒定值(最大主喷射量)的主喷射量来确定主喷射时间Tm。在完成步骤S103的处理之后，过程前进到步骤S104。

在步骤S104中，判定在步骤S102中确定的负荷适用喷射量S0是否等于或小于预定第一喷射量S1。如果如之后描述的预喷射时间Tp和主喷射时间Tm一起提前(见步骤S106中的处理)，则预定第一喷射量S1是与如下发动机负荷对应的阈值，在所述发动机负荷以上出现由于预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料的重叠导致的可用空气的不足引起的可能产生烟的情形。因此，如果负荷适用喷射量S0等于或小于预定第一喷射量S1，则内燃机1不处于可能产生烟的情形中。另一方面，如果负荷适用喷射量S0超过预定第一喷射量S1，则内燃机1处于可能产生烟的情形中。如果在步骤S104中作出肯定的判定，则过程前进到步骤S105，而如果作出否定的判定，则过程前进到步骤S110。

如果在步骤S104作出肯定的判定，即，如果负荷适用喷射量S0等于或小于预定第一喷射量S1，则内燃机1的发动机负荷在低负荷范围R6中(见图14)。在该情形中，为了在防止不稳定燃烧的同时将内燃机1的热效率保持在高水平，优选的是将预喷射量设定成落入如上参考图8描述的范围Rp中的喷射量。因此，在步骤S105中，预喷射量Sp被设定成最小预喷射量Spmin，该最小预喷射量Spmin是落入范围Rp中的预喷射量。从而，如果发动机负荷在低负荷范围R6中，则预喷射量Sp被固定在如由图14中的图示(a)中的线L30示出的最小预喷射量Spmin。在完成步骤S105中的处理之后，过程前进到步骤S106。

在步骤S106中，使用由在图14的图示(b)中的线L33表示的控制映射图来确定预喷射时间Tp。在低负荷范围R6中，考虑到已经参考图10描述的喷射间隔Di和内燃机1的热效率之间的相互关系，预喷射时间Tp可以被以提供如下喷射间隔Di的方式设定，该喷射间隔Di导致适当的热效率。因此，由于在低负荷范围R6中，预喷射量被固定在最小预喷射量Spmin，所以预喷射时间Tp被以喷射间隔Di贯穿低负荷范围R6保持恒定的方式设定，即，以预喷射时间Tp以相同方式与主喷射时间Tm一起变化的方式设定。在步骤S107中，使用由图14的图示(b)中的线L34表示的控制映射图来确定点火时间Ts。具体地，与预喷射时间Tp一样，点火时间Ts被以与将预喷射量Sp固定到在低负荷范围R6中的最小预喷射量相适应地使点火间隔Di贯穿低负荷范围R6保持恒定的方式设定。

在步骤108中，使用由在图14的图示(a)中的线L31表示的控制映射图来计算主喷射量Sm。在低负荷范围R6中，发动机负荷和主喷射量之间的相互关系遵循以下等式2。

[数学式2]

Sm＝S0－Sp×α， (等式2)

其中，α是预喷射燃料的未燃烧剩余物率。

如上所述，在根据本发明的燃烧控制中，预喷射燃料的未燃烧剩余物自燃并且通过扩散燃烧与主喷射燃料一起燃烧以有助于发动机动力，从而能够提高内燃机1的热效率。在对于发动机动力的贡献方面，预喷射燃料的一部分或其未燃烧剩余物能够被视为等同于主喷射燃料。因此，能够通过预先通过实验或其他过程来测量表示预喷射燃料的未燃烧剩余物率的系数α并且使用前述等式2来考虑到根据本发明的燃烧控制的特性来计算主喷射量Sm。如上所述，预喷射燃料的未燃烧剩余物率根据预喷射时间、点火间隔Ds和喷射间隔Di而变化。因此，基于它们确定系数α的值。在通过火花塞5的点火燃烧的燃料的量(即，通过喷雾引导燃烧而燃烧的燃料的量)相对于总预喷射量非常小的情形中，系数α可以在控制中被设定成等于1。在该情形中，假设在控制中负荷适用喷射量等于总喷射量。在完成步骤S108中的处理之后，过程前进到步骤S130。

在以上述方式确定与预喷射、主喷射和点火相关的参数时，在低负荷范围R6中，在预喷射燃料的点火之后保留由图14的图示(a)中的M1表示的预喷射燃料的未燃烧剩余物。如上所述，在低负荷范围R6中，由于预喷射量Sp被固定在最小预喷射量Spmin并且点火间隔Ds和喷射间隔Di是固定的，所以预喷射燃料的未燃烧剩余物的量大致恒定。

如果在步骤S104作出否定判定，则过程前进到步骤S110。在步骤S110中，判定在步骤S102中确定的负荷适用喷射量S0是否等于或小于预定第二喷射量S2。预定第二喷射量S2是与如下发动机负荷对应的阈值，在该发动机负载以上在汽油发动机中在适当的喷射时间喷射的燃料的量相对大使得出现自燃扩散燃烧可能被其蒸发潜热影响从而变得不稳定并且烟可能由于其燃料喷雾周围的空气(氧气)不足而产生的情形。换言之，预定第二喷射量S2是鉴于燃烧的稳定性和烟而在汽油发动机中能够在适当的喷射时间喷射的最大限度的喷射量。因此，如果负荷适用喷射量S0等于或小于第二喷射量S2，则存在烟不可能产生的情形。另一方面，如果负荷适用喷射量S0超过预定第二喷射量S2，则存在能够产生烟的情形。如果在步骤S110中作出可定判定，则过程前进到步骤S111，并且如果作出否定判定，则过程前进到步骤S121。

如果在步骤S110中所做的判定是肯定的，即如果负荷适用喷射量S0大于预定第一喷射量S1并且等于或小于预定第二喷射量S2，则内燃机1的发动机负荷在中间负荷范围R7中(见图14)。在该情形中，过程前进到步骤S111和S112。在步骤S111中，使用由在图14的图示(a)中的线L30表示的控制映射图来确定预喷射量Sp，并且在步骤S112中，使用由在图14的图示(b)中的线L33表示的控制映射图来确定预喷射时间Tp。具体而言，在中间负荷范围R7中，负荷适用喷射量S0大于预定第一喷射量S1，从而有必要减少由于预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料的干涉导致的烟的产生。因此，如之前所描述的，预喷射时间Tp除了以相同量与主喷射时间Tm一起提前之外进一步提前，以便在发动机负荷增加(即，负荷适用喷射量S0增加)的情况下减少烟的产生。可以基于之前参考图10描述的喷射间隔Di和内燃机1的热效率之间的关系和之前参考图11描述的烟的减少两者考虑到热效率和产生的烟量之间的平衡来适当地设定预喷射时间Tp。由此，如由线L30表示的，通过根据预喷射时间Tp的提前量的增加来增加预喷射量，从而增加预喷射燃料的未燃烧剩余物并且使其与主喷射燃料一起燃烧(见图11)，能够在不牺牲内燃机1的热效率的情况下减少烟的产生。

然后，在步骤S113中，使用由在图14的图示(b)中的线L34表示的控制映射图来确定点火时间Ts。具体而言，响应于发动机负荷的增加，点火时间Ts的提前量以与在步骤S112中确定的预点火时间Tp的提前量的增加相同的量增加。换言之，在中间负荷范围R7中，点火时间Ts响应于发动机负荷的增加而提前。在完成步骤S113中的处理之后，过程前进到步骤S114。

在步骤S114中，使用由在图14的图示(a)中的线L31表示的控制映射图来确定主喷射量。在中间负荷范围R7中，也与在低负荷范围R6中一样，由线L31表示的发动机负荷和主喷射量Sm之间的关系遵循上述等式2。因此，能够与在步骤S108中的处理一样，考虑根据本发明的燃烧控制的特性来确定主喷射量Sm。在中间负荷范围R7中，由于预喷射量Sp随着发动机负荷的增加而增加，所以在中间负荷区域R7中的主喷射量Sm的增加率(即，主喷射量Sm相对于发动机负荷的增加的增加率)小于在低负荷区域R6中的主喷射量Sm的增加率。在完成步骤S114的处理之后，过程前进到步骤S130。

通过如上所述确定的与预喷射、主喷射和点火相关的参数，在中间负荷范围R7中的预喷射燃料的点火之后，保留由在图14的图示(a)中的M1表示的预喷射燃料的未燃烧剩余物。如上所述，在中间负荷范围R7中，预喷射量响应于发动机负荷的增加而增加，并且预喷射时间Tp和点火时间Ts在点火间隔Ds固定的情况下提前。从而，未燃烧剩余物的量也随着发动机负荷的增加而增加。

如果在步骤S110中作出的判定是否定的，即，如果负荷适用喷射量S0大于预定第二喷射量S2，则内燃机1的发动机负荷在高负荷范围R8中(见图14)。在该情形中，过程前进到步骤121。该步骤S121中，使用由在图14的图示(a)中的线L31表示的控制映射图来确定主喷射量Sm。具体而言，在高负荷范围R8中，响应于发动机负荷的增加使主喷射量Sm相对大。如上所述，如果主喷射量大到一定程度，则由于喷射期间的蒸发潜热的影响燃烧将不稳定，并且由于喷射的燃料喷雾周围的空气(氧气)的不足可能产生烟。鉴于此，在高负荷范围R8中，主喷射量Sm被设定成最大主喷射量Smmax，该最大主喷射量Smmax是主喷射量的上限制，通过该上限值确保了稳定的燃烧并且能够防止过大量烟的产生。在完成步骤S121的处理之后，过程前进到步骤S122。

在步骤S122中，使用由在图14的图示(a)中的线L30表示的控制映射图来计算预喷射量Sp。在高负荷范围R8中，由线L30表示的发动机负荷和预喷射量Sp之间的关系由以下等式3来表达：

[数学式3]

Sp＝(S0-Sm)/α [等式3]

其中，与在等式2中一样，α是预喷射燃料的未燃烧剩余物率。在高负荷范围R8中，出于上述原因，主喷射量Sm被固定在最大主喷射量Smmax。由此，通过使用以上等式3，能够出于与在步骤S108和S114中的处理基本相同的原因考虑到根据本发明的燃烧控制的特性来确定预喷射量Sp。在完成步骤S122中的处理之后，过程前进到步骤S123。

在步骤S123中，使用由在图14的图示(b)中的线L33表示的控制映射图来确定预喷射时间Tp。具体而言，在高负荷范围R8中，由于负荷适用喷射量S0大于预定第二喷射量S2，所以主喷射量Sm被固定在步骤S121中确定的最大主喷射量Smmax以便确保稳定的燃烧并且减少烟。因此，响应于要求发动机负荷，预喷射量Sp根据前述等式3被确定为比在中间负荷范围R7中的值大的值。在预喷射量Sp变得如此大时，再次出现由于预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料的干涉引起的产生烟的可能性。因此，如从图14的图示(b)中的线L33看到的，与发动机负荷在中间负荷范围R7中的情形相比，预喷射时间Tp更大程度地提前，换言之，预喷射时间Tp被以在高负荷范围R8中的喷射间隔Di随着发动机负荷的增加而增加的方式设定，从而减少烟。由于如上所述存在在高负荷范围R8中产生烟的可能性，所以优选的是通过以上参考图11描述的提前而给予烟的减少较高的优先级来适当地设定预喷射时间Tp。如果能够如期望地实现烟的减少，则可以考虑到以上参考图10描述的喷射间隔Di和内燃机1的热效率之间的关系来适当地设定预喷射时间Tp。在完成步骤S123的处理之后，过程前进到步骤S124。

然后，在步骤S124中，使用由在图14的图示(b)中的线L34表示的控制映射图来确定点火时间Ts。具体而言，点火时间Ts随着发动机负荷的增加而提前，其中，提前量的增加率(即，针对发动机负荷的增加的提前量的增加率)小于预喷射的提前量的增加率。从而，在高负荷范围R8中，在预喷射时间Tp和点火时间Ts两者均随着发动机负荷的增加而增加的同时，点火间隔Ds随着发动机负荷的增加而增加。从而，在高负荷范围R8中，与主喷射燃料一起经受燃烧的预喷射燃料的未燃烧剩余物的量能够大程度增加(见图14的图示(a)中的M1)。如上所述，虽然主喷射量被固定在高负荷范围R8中的最大主喷射量，但是能够通过以上述方式增加预喷射燃料的未燃烧剩余物的量来对要求发动机负荷作出响应并且将内燃机1的热效率保持在满意的水平。在完成步骤S124的处理之后，过程前进到步骤S130。

通过如上所述确定的与预喷射、主喷射和点火相关的参数，在高负荷范围R8中的预喷射燃料的点火之后，保留由在图14的图示(a)中的M1表示的预喷射燃料的未燃烧剩余物。如上所述，在高负荷范围R8中，预喷射量Sp响应于发动机负荷的增加而增加，并且预喷射时间Tp和点火时间Ts在点火间隔Ds增加的情况下提前。由于主喷射量Sm被固定在最大主喷射量Smmax，所以与发动机负荷在中间负荷区域R7中的情形相比，针对发动机负荷的增加的预喷射量Sp的增加率较高。从而，与发动机负荷在中间负荷范围R7中的情形相比，未燃烧剩余物的量随着发动机负荷的增加更大程度地增加。

在完成步骤S108、S114和S124中的任意一个步骤的处理之后，执行S130的处理。在步骤S130中，由燃料喷射阀6进行的预喷射和主喷射以及由火花塞5进行的点火根据在之前的处理中已经确定的预喷射量Sp、预喷射时间Ts、主喷射量Sm、主喷射时间Tm和点火时间Ts来执行。在完成步骤S130的处理之后，再次执行从步骤S101开始的处理。

根据该燃烧控制，通过响应于发动机负荷适当地确定预喷射量Sp、预喷射时间Ts、主喷射量Sm、主喷射时间Tm和点火时间Ts，能够实现稳定的柴油燃烧以及产生减少的烟并且提高燃烧的热效率。此外，在范围为从低负荷范围到高负荷范围的内燃机的宽运行范围上实现优选的燃烧。

实例2

将参看图15描述能够应用到在图13中示出的燃烧控制的用于预喷射、主喷射和点火的控制映射图的第二实例。在图15中，通过相同的附图标记来表示与图14中相同的控制映射图以去除其详细的说明。具体而言，在图15中示出的控制映射图中，发动机负荷的范围的划分，或者低负荷范围R6、中间负荷范围R7和高负荷范围R8与在图14中的那些范围相同。此外，在图14和图15之间，用于预喷射量Sp(由线L30表示)、主喷射量Sm(由线L31表示)、负荷适用喷射量S0(由线L32表示)的控制映射图和用于主喷射时间(由线L35表示)的控制映射图是相同的。

在下文中，将对于每个负荷范围描述用于预喷射时间Tp(由线L36表示)和点火时间Ts(由线L37表示)的控制映射图。

(1)低负荷范围R6

在低负荷范围R6中，发动机负荷和预喷射时间Tp之间的关系以及发动机负荷和点火时间Ts之间的关系与图14中示出的控制映射图相同。

(2)中间负荷范围R7

在该实例中，在中间负荷范围R7中，预喷射时间Tp与主喷射时间Tm以相同的提前量一起提前。从而，在中间负荷范围R7中，与在低负荷范围R6中一样，喷射间隔Di保持恒定。另一方面，以点火间隔Ds随着发动机负荷增加而变长的方式确定点火时间Ts。因此，点火时间Ts在发动机负荷增加时朝着压缩冲程的上死点延迟。在点火间隔Ds变长时，在燃烧室中流动直至点火的预喷射燃料的量增加。因此，在点火之后的预喷射燃料的未燃烧剩余物的量能够增加。如上所述，预喷射燃料的未燃烧剩余物的量的该增加对于提高内燃机1的热效率是有利的。

(3)高负荷范围R8

同样在该实例中，在高负荷范围R8中，主喷射量Sm被固定在步骤S121中确定的最大主喷射量Smmax，以便确保稳定的燃烧并且减少烟，因此预喷射量Sp相对大。因此，与在第一实例中的高负荷范围R8中一样，为了减少由预喷射燃料的未燃烧剩余物和主喷射燃料的干涉产生的烟，预喷射时间Tp比在中间负荷范围R7中更大程度地提前。换言之，在高负荷范围R8中，预喷射时间Tp被以喷射间隔Di随着发动机负荷的增加而变长的方式设定。点火时间Ts可以随着发动机负荷的增加而提前使得点火间隔Ds随着发动机负荷的增加而变长。可替代地，点火时间Ts可以被固定在固定时间而不考虑发动机负荷的增加。

在以上述方式确定预喷射时间Tp和点火时间Ts时，通过响应于发动机负荷的增加大程度地提前预喷射时间Tp来增加点火间隔Ds。因此，能够有效地增加预喷射燃料Tp的未燃烧剩余物的量(见图15的图示(s)中的M1)。特别地，由于在高负荷范围R8中主喷射量被固定在最大主喷射量Smmax以便确保稳定的燃烧并且减少烟，所以能够通过以该方式增加预喷射燃料的未燃烧剩余物的量来获得要求发动机负荷，并且还能够将内燃机1的热效率保持在满意的水平。

能够如上所述使用在图15中示出的控制映射图，对于根据本发明的燃烧控制，通过响应于发动机负荷适当地确定预喷射量Sp、预喷射时间Ts、主喷射量Sm、主喷射时间Tm和点火时间Ts来实现稳定的柴油燃烧并减少烟的产生和提高燃烧的热效率。此外，在范围从低负荷范围到高负荷范围的内燃机的宽的运行范围上实现有利的燃烧。

实例3

在之前描述的实例中，点火时间Ts被设定成在预喷射时间Tp之后的时间。在该实例中，作为该模式的替代，点火时间Ts可以被设定成在预喷射时间Tp之前的时间。在该情形中，在由火花塞5进行的点火继续的同时，换言之，在火花塞5的电极之间的放电继续的同时，执行预喷射。在预喷射时间Tp之前的预定时间开始由火花塞5进行的点火，并且在点火继续的同时执行预喷射，使得预喷射燃料被点燃。通过预先开始由火花塞5进行的点火，在图2中示出的区域5a附近的空气的温度能够升高，从而能够提高预喷射燃料的点火性。从而，能够提高根据本发明的燃烧控制的可靠性。

在该实例的情形中，在预喷射燃料达到火花塞5的区域5a时点燃预喷射燃料。因此，难以与在上述实例的情形中一样通过增加点火间隔Ds来增加预喷射燃料的未燃烧剩余物的量。因此，当预喷射燃料的未燃烧剩余物的量增加以便提高内燃机1的热效率时，预喷射量Sp可以增加。此外，如果存在随着预喷射量的增加产生烟的可能性，则除了增加预喷射量Sp之外，预喷射时间Tp可以提前。

附图标记列表

1:内燃机

2:气缸

3:活塞

5:火花塞

6:燃料喷射阀

7:进气口

8:排气口

9:进气阀

10:排气阀

20:ECU

21:曲柄位置传感器

22:加速器位置传感器

71:节流阀

72:空气流量计

Tp：预喷射时间

Tm：主喷射时间

Ts：点火时间

Di：喷射间隔

Ds：点火间隔

Claims (5)

1.一种用于内燃机的控制设备，包括：

燃料喷射阀，所述燃料喷射阀能够将燃料喷射到内燃机的燃烧室中；

点火装置，所述点火装置相对于所述燃料喷射阀的位置以通过所述燃料喷射阀喷射的燃料喷雾经过能够点火区域并且所述点火装置能够直接点燃所述燃料喷雾的方式来设定；以及

燃烧控制装置，所述燃烧控制装置在所述压缩冲程期间在预定的预喷射时间通过所述燃料喷射阀执行预喷射，并且所述燃烧控制装置在所述压缩冲程的上死点之前在预定的喷射开始时间执行主喷射，使得能够在由预喷射燃料形成的预喷雾由所述点火装置点燃之后通过所述预喷射燃料的燃烧产生的火焰开始燃烧，从而导致燃烧的预定方式，在所述燃烧的预定方式中产生自燃并且通过扩散燃烧来燃烧主喷射燃料的至少一部分，其中，当所述预喷射燃料的量增加时，所述燃烧控制装置响应于所述预喷射燃料的量的增加来使所述预喷射时间提前。

2.根据权利要求1所述的用于内燃机的控制设备，其中，响应于所述预喷射燃料的量的增加，所述燃烧控制装置使所述预喷射时间提前并且增加在所述预喷射时间和所述点火装置的点火时间之间的点火间隔。

3.根据权利要求1或2所述的用于内燃机的控制设备，其中，当所述内燃机的发动机负荷等于或高于预定的第一负荷时，所述燃烧控制装置根据所述发动机负荷的增加来增加所述预喷射燃料的量，并且根据所述预喷射燃料的量的增加来使所述预喷射时间提前。

4.根据权利要求3所述的用于内燃机的控制设备，其中，当所述内燃机的发动机负荷等于或高于比第一负荷高的预定的第二负荷时，所述燃烧控制装置在将所述主喷射燃料的量保持在预定的上限量的同时根据所述发动机负荷的增加来增加所述预喷射燃料的量，并且所述燃烧控制装置根据所述预喷射燃料的量的增加来使所述预喷射时间提前。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于内燃机的控制设备，其中，当所述内燃机的发动机负荷在预定的低负荷范围中时，所述燃烧控制装置不根据所述内燃机的发动机负荷来增加所述预喷射量的量，而是将所述预喷射燃料的喷射量保持在最小预喷射量，所述最小预喷射量是在所述预喷射中的最小喷射量。