CN110036187A - 压缩点火式汽油发动机 - Google Patents

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Abstract

压缩点火式汽油发动机包括：燃料喷射阀，将以汽油为主成分的燃料喷射到气缸；EGR装置，能够执行使气缸中所生成的已燃气体以高温的状态导入气缸的高温EGR；以及燃烧控制部，控制燃料喷射阀及EGR装置，以使从燃料喷射阀喷射出的燃料在气缸内发生基于自点火的HCCI燃烧。燃烧控制部至少在进行HCCI燃烧的局部负荷运转区域中，以使气缸内的总气体量与燃料量之比亦即G/F为较小的高负荷条件下的EGR率相比于低负荷条件下的EGR率较大的方式来控制EGR装置。

Description

压缩点火式汽油发动机
技术领域
本发明涉及压缩点火(压燃)式汽油发动机，该发动机在气缸内使以汽油为主成分的燃料通过自点火来燃烧。
背景技术
作为上述那样的压缩点火式汽油发动机的一个例子，已知有下述专利文献1的发动机。该专利文献1的发动机中，在高负荷以外的指定运转区域进行HCCI(均质充气压缩点火)燃烧。此外，在进行该HCCI燃烧时，进行使已燃气体留在(返流到)气缸中的内部EGR，并且执行如下控制：使该内部EGR的EGR率(EGR气体在导入到气缸内的总气体量中所占的比例)随着负荷增加而变小。由此，既能够抑制燃烧噪音又能够促进燃料自点火。
HCCI燃烧是燃料(汽油)在高温高压的环境下自发性地与氧进行反应而发生的燃烧，因此，被认为会容易受到燃料成分(分子结构)的相异所产生的影响。因此，可以预想到假使将具有同等的辛烷值的汽油供应给气缸，也会因燃料成分的相异而使点火时期出现参差。
有关此点，本发明人经过了锐意研究，结果发现了如下情况：在发动机的运转条件为伴随燃料的低温氧化反应那样的条件的情况下，容易发生因燃料成分的相异而产生的点火时期的参差。因此，为了实现恰当的HCCI燃烧，较为理想的是以尽量不会发生低温氧化反应的方式来控制运转条件。然而，由于专利文献1并非以抑制这样的低温氧化反应这一观点来控制EGR率等，因此，有可能因燃料成分的相异而使点火时期出现参差。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2014-47643号
发明内容
本发明鉴于上述的情况而作，其目的在于提供一种能够抑制因燃料成分的相异而引起的点火时期参差的压缩点火式汽油发动机。
为了实现上述目的，本发明的压缩点火式汽油发动机包括：气缸，收容有能够进行往复移动的活塞；燃料喷射阀，将以汽油为主成分的燃料喷射到所述气缸；EGR装置，能够执行使所述气缸中所生成的已燃气体以高温的状态导入气缸的高温EGR；以及燃烧控制部，控制所述燃料喷射阀及所述EGR装置，以使从所述燃料喷射阀喷射出的燃料在气缸内发生基于自点火的HCCI燃烧；其中，所述燃烧控制部至少在进行HCCI燃烧的局部负荷运转区域中，以使气缸内的总气体量与燃料量之比亦即G/F为较小的高负荷条件下的EGR率相比于低负荷条件下的EGR率较大的方式来控制所述EGR装置。
根据本发明，能够抑制因燃料成分的相异而引起的点火时期参差，因此具有如下优点：既能够允许使用成分不同的各种燃料又能够实现恰当的HCCI燃烧。
附图说明
图1是简略地表示本发明的一实施方式所涉及的压缩点火式汽油发动机的整体结构的系统图。
图2是表示在应用到上述发动机的内部EGR控制中所被参照的图谱的图。
图3是表示了在成为上述实施方式的基础的研究中所使用的实验用发动机的规格和运转条件的图表。
图4是表示上述实验中所使用的多个试样燃料的特性的汇总图表。
图5是表示上述各试样燃料中所含的成分的体积分数的图形。
图6是表示上述各试样燃料的蒸馏特性的图形。
图7是表示从上述试样燃料等中选出的多种燃料在各种EGR率的条件下分别进行HCCI燃烧时的热释放率的图形。
图8是表示从上述试样燃料等中选出的其它的多种燃料在各种EGR率的条件下分别进行HCCI燃烧时的热释放率的图形。
图9是表示从图7及图8的燃烧实验所得的各燃料的点火时期、指示比燃料消费率(ISFC)、以及平均有效指示压力(IMEP)的变动率与EGR率之间的关系的图形。
图10是表示90RON燃料之间的点火时期的差异对应于G/F及EGR率而变化的状况的等值线图形。
图11是将对应于G/F及EGR率而变化的IVC温度的等值线与图10的结果重叠地进行表示的图形。
图12是表示辛烷指数的系数K与EGR率之间的关系的图形。
图13是从使用了常规汽油的燃烧实验所得的最大压力上升率(dp/dθ)及辛烷指数的系数K的等值线图形。
图14是将指示比燃料消耗率(ISFC)的等值线与图13的结果重叠地进行表示的图形，是用于说明为了进行恰当的HCCI燃烧的控制准则的图。
图15用于说明上述实施方式的变形例，是与图14相当的图。
具体实施方式
(1)实施方式的说明
(1-1)发动机的整体结构
图1是简略地表示本发明的一实施方式所涉及的压缩点火式汽油发动机的整体结构的系统图。该图所示的发动机是作为行驶用动力源而被搭载在车辆上的四冲程多缸汽油发动机。该发动机的发动机主体1是所谓的直列四缸型发动机主体，其具有：气缸体3，具有四个在与纸面正交的方向上呈列状排列的气缸2；气缸盖4，以从上方封盖各气缸2的方式而设置在气缸体3的上侧面；活塞5，分别可往返滑动地插入在各气缸2中。
在活塞5的上方划分有燃烧室6，该燃烧室6通过后述的燃料喷射阀15的喷射而被供应以汽油为主成分的燃料。喷射后的燃料与空气混合并且在基于活塞5的压缩作用而成为高温高压的燃烧室6中自点火而燃烧。活塞受到该燃烧所产生的膨胀力(下推力)而在上下方向往返运动。
如上述那样使燃料与空气混合且使之自点火的燃烧被称为均质充气压缩点火燃烧(HCCI燃烧)。为了能够实现该HCCI燃烧，有必要使气缸2的内部温度在活塞5到达压缩上止点的时刻充分地达到高温。因此，本实施方式中，各气缸2的几何压缩比亦即活塞5处于上止点时的燃烧室6的容积与活塞5处于下止点时的燃烧室6的容积之比被设定为18以上且22以下。
活塞5的下方设置有作为发动机主体1的输出轴的曲轴7。曲轴7经由连杆8而与活塞5连结，并且与活塞5的往返运动(上下运动)相应地被驱动而绕中心轴转动。
气缸盖4上针对各气缸2设置有各1个燃料喷射阀15。各燃料喷射阀15分别连接于燃料供应管20，各燃料喷射阀15通过将从燃料供应管20供应来的燃料以高压喷射到燃烧室6来对各气缸2供应所需量的燃料。
此处，本实施方式的发动机基本上能够在所有运转区域中进行HCCI燃烧。但是，在发动机水温低的冷机时期等难以进行HCCI燃烧的条件下，被执行对燃料和空气的混合气进行点火的SI燃烧(火花点火燃烧)。因此，气缸盖4上针对各气缸2设置有各1个在执行SI燃烧时对混合气进行点火的火花塞16。
气缸体3中设置有水温传感器SN1及曲柄角传感器SN2。水温传感器SN1是用于检测在形成在发动机主体1内部的图外的水套中流通的冷却水的温度(发动机水温)的传感器，曲柄角传感器SN2是用于检测曲轴7的转角(曲柄角)及曲轴7的转速(发动机转速)的传感器。
气缸盖4中设置有向各气缸2的燃烧室6开口的进气道9及排气道10和对各气道9、10进行开闭的进气门11及排气门12。进气门11及排气门12通过包含设置在气缸盖4上的一对凸轮轴等的气门传动机构而与曲轴7的转动联动地被驱动从而进行开闭。
气缸盖4上分别连接有进气通道28及排气通道29。进气通道28是用于将从外部导入的空气(新鲜空气)导入到燃烧室6的通道，其以与进气道9连通的方式而连接于气缸盖4的一个侧面。排气通道29是用于将燃烧室6中所生成的已燃气体(排气气体)排出到外部的通道，其以与排气道10连通的方式而连接于气缸盖4的另一个侧面。
进气通道28中从发动机主体1至指定距离上游侧的范围为按每一气缸2来分支的分支通道部28a，各分支通道部28a的上游端分别与共用的平衡箱28b连接。在该平衡箱28b更上游侧设置有单管状的共用通道部28c。
共用通道部28c中设置有能够进行开闭的用于调节往各气缸2的吸入空气量的节气阀30。
进气门11用的气门传动机构中组装有可连续(无级别)地变更进气门11的升程量的升程可变机构13。升程可变机构13只要能够变更升程量则其种类不受限制，其例如可以包括：与凸轮轴的转动连动地使进气门11驱动用的凸轮进行往返摆动运动的连杆机构；可变地设定连杆机构的配置(杠杆比)的控制臂；通过驱动控制臂来变更上述凸轮的摆动量(下推进气门11的量)的致动器。本实施方式的升程可变机构13是随着升程量的变更还变更气门正时(变更气门打开时期和气门关闭时期的至少一方)的类型的可变机构。
排气门12用的气门传动机构中组装有使在进气冲程中下推排气门12的功能有效或无效的开闭切换机构14。即，开闭切换机构14不仅能够在排气冲程而且还能够在进气冲程打开排气门12，并且还具有对是执行还是停止该进气冲程中的排气门12的打开动作进行切换的切换功能。这样的开闭切换机构14例如可以包含：与用于驱动排气门12的通常的凸轮(亦即在排气冲程中下推排气门12的凸轮)另行设置的在进气冲程中下推排气门12的副凸轮；停止该副凸轮的驱动力传递给排气门12的所谓的空转机构。
基于设置上述的升程可变机构13及开闭切换机构14，在本实施方式的发动机中，能够实现使已燃气体留在气缸2中的操作亦即内部EGR，而且，还能够调整由该内部EGR而被导入的已燃气体在气缸2内的总气体量中所占的比例亦即EGR率。亦即，当开闭切换机构14以使排气门12在进气冲程中的打开有效的方式而被驱动时，从气缸2排出到排气道10中的已燃气体的一部分返流到气缸2中。由此，排出到排气通道29之前的高温已燃气体被引回到气缸2(亦即实质上留在气缸2中)，从而实现内部EGR。此外，基于升程可变机构13，进气门11的升程量及或气门正时被变更，随此，导入气缸2的空气(新鲜空气)的量被变更，EGR率被调整。这样，升程可变机构13及开闭切换机构14是用于执行内部EGR而且用于调整EGR率的配气可变机构(valve variable mechanism)，相当于本发明的“EGR装置”的一个例子。
(1-2)控制系统
采用了以上结构的发动机的各个部被ECU(发动机控制单元)50统一地控制。ECU50众所周知是由CPU、ROM、RAM等构成的微处理器，相当于本发明的“燃烧控制部”。
ECU50从发动机上所设的各种传感器输入各种信息。即，ECU50与上述的水温传感器SN1及曲柄角传感器SN2电连接，并且根据来自上述各传感器SN1、SN2的输入信号来取得发动机水温、曲柄角、发动机转速等各种信息。
此外，车辆的各个部上设有用于检测例如车辆的行驶速度(车速)和加速踏板的开度(加速器开度)等各种信息的车载传感器SN3，该车载传感器SN3也与ECU50电连接。ECU50根据来自车载传感器SN3的输入信号来取得车速和加速器开度等与车辆相关的各种信息。
ECU50根据从上述各传感器SN1至SN3所取得的信息执行各种运算等，并且控制发动机的各个部。具体而言，ECU50与升程可变机构13、开闭切换机构14、燃料喷射阀15、火花塞16及节气阀30等电连接，并且根据上述运算的结果等而对这些机件分别输出控制用信号。
对ECU50所具备的更具体的功能进行说明。在发动机的运转中，ECU50例如根据由水温传感器SN1所检测的发动机水温来决定是否应执行HCCI燃烧和SI燃烧的任一者。即，在发动机水温未达到指定值时(冷机时)选择SI燃烧，在发动机水温为指定值以上时(热机时)选择HCCI燃烧。
此外，ECU50根据由车载传感器SN3所测出的车速或加速器开度等来确定发动机负荷(要求转矩)，并且根据由曲柄角传感器SN2所测出的曲柄角的变化来确定发动机转速。而且，根据上述的燃烧形式的选择结果(HCCI燃烧或SI燃烧)和所确定的发动机负荷及转速来决定从燃料喷射阀15应喷射到各气缸2的燃料的目标喷射量及目标喷射时期，并且按照该决定来控制各气缸2的燃料喷射阀15。即，使与目标喷射量同量的燃料以与目标喷射时期相同的时期从燃料喷射阀15喷射出来。此外，ECU50以节气阀30的开度与根据上述的各种条件而被设定的目标开度相一致的方式来控制节气阀30。此外，在选择了HCCI燃烧的情况下，节气阀30的开度不依发动机负荷及转速而维持在与全开相当的高开度。
此外，ECU50根据上述的燃烧形式的选择结果及发动机负荷、转速来决定是否需要执行使已燃气体留在(返流到)气缸2中的操作亦即内部EGR、以及基于内部EGR而被导入到气缸2中的已燃气体的比例亦即目标EGR率，并且按照该决定来控制升程可变机构13及开闭切换机构14。即，ECU50在需要执行内部EGR时，以使排气门12在进气冲程中的打开有效的方式来驱动开闭切换机构14，从而执行内部EGR，并且通过升程可变机构13来调整进气门11的升程量和气门正时，以使与目标EGR率对应的量的空气(新鲜空气)及已燃气体导入到气缸2。
(1-3)与负荷对应的内部EGR的控制
其次，参照图2的控制图谱对与上述内部EGR相关的控制的具体例进行说明。该控制图谱是在燃烧形式被选择为HCCI燃烧时所被应用的图谱。由于选择为SI燃烧时基本上不需要内部EGR，因此，选择为SI燃烧时的控制的说明从略。
本实施方式的发动机以供应具有与国内市面销售的常规汽油相当的辛烷值(例如89至93RON)的燃料为前提而被设计。ECU50根据图2的图谱来设定内部EGR的目标EGR率亦即基于内部EGR而被导入的已燃气体在气缸2内的总气体量中所占的比例亦即EGR率的目标值，以在供应这样的燃料的情况下能够实现恰当的HCCI燃烧。该图谱表示了在发动机转速为一定值(例如1000rpm)的情况下对应于发动机负荷而应设定的目标EGR率。此外，在发动机转速不同的情况下，也只是目标EGR率的数值(％)及负荷的阈值(X)不同，而其倾向自身相同。
如图2所示，目标EGR率在从与怠速运转对应的最低负荷Y至比此更高的高阈值负荷X的范围，以负荷越高则目标EGR率越大的方式而被设定(参照区间P)。具体而言，在图2的例子中，最低负荷Y处的目标EGR率被设定为0％，而在阈值负荷X处的目标EGR率被设定为40％。在从最低负荷Y至阈值负荷X之间，目标EGR率在0至40％的范围以与负荷成比例地逐渐增大的方式被设定。另一方面，在从阈值负荷X至最高负荷Z的范围，目标EGR率一律地被设定为40％(参照区间Q)。
(2)成为本发明的基础的研究
如上所述，上述实施方式中，进行HCCI燃烧时执行内部EGR，并且其EGR率在高负荷以外的负荷区域(从最低负荷Y至阈值负荷X的范围)中与负荷成比例地逐渐增加。该实施方式所代表的本发明是根据本发明人为了调查燃料成分的不同对HCCI燃烧所带来的影响而进行的研究而作出的。以下，详细说明该研究的内容。
(2-1)实验方法及试样燃料
(a)实验方法
图3的图表表示了本研究的实验中所使用的发动机的规格和运转条件。为了易于进行HCCI燃烧，准备了几何压缩比为20的高于通常的发动机的几何压缩比的实验用发动机，该发动机在1000rpm以自然吸气运转。此外，该实验用发动机与上述实施方式同样地具有：向气缸直接喷射燃料的燃料喷射阀；能够变更进排气门的气门特性的配气可变机构(相当于上述实施方式的升程可变机构13及开闭切换机构14的机构)。配气可变机构为液压驱动式，通过利用该配气可变机构来变更进排气门的气门特性，从而将内部EGR的EGR率可变地设定在0％、40％、60％、80％之间，使气缸的压缩开始温度变化。此外，在进行实验评价时，将包含新鲜空气和内部EGR气体的气缸内的总工作气体量与燃料量之比亦即G/F(气体燃料比)用作运转条件的指标。此外，为了使燃料的支链反应(branched-chain reaction)的开始时期作为HCCI燃烧的点火时期，将热释放率的二阶微分为最大值的时刻定义为点火时期。
(b)试样燃料
如图4所示，作为实验用燃料而制成了多种具有大致相同辛烷值的试样燃料。具体而言，以市面销售的汽油规格的RON为基准制成了辛烷值均为大约90RON的7种试样燃料(Para90、Arom30、Arom20、Arom30-Ole20、Arom30-Naph20、ETBE20、EtOH20)。如图4及图5所示，Para90是仅以基础燃料的石蜡族烃(正链烷烃及异链烷烃)构成的燃料，Arom30是不仅含有石蜡族烃而且还含有大约30vol％(vol％为体积比例)的芳香族烃的燃料，Arom20是不仅含有石蜡族烃而且还含有大约20vol％的芳香族烃的燃料，Arom30-Ole20是不仅含有石蜡族烃而且还含有大约30vol％的芳香族烃和大约20vol％的烯族烃的燃料，Arom30-Naph20是不仅含有石蜡族烃而且还含有大约30vol％的芳香族烃和大约20vol％的环烷族烃的燃料，ETBE20是不仅含有石蜡族烃而且还含有大约20vol％的ETBE(乙基叔丁基醚)的生物系燃料，EtOH20是不仅含有石蜡族烃而且还含有大约20vol％的乙醇的生物系燃料。上述7种试样燃料均被调制为辛烷值为大约90RON。此外，由于实验用发动机为直接喷射式，因此，为了不会产生因燃料而引起的混合气形成差异，在除了混合有乙醇的EtOH20之外的各试样燃料中，以使与蒸发及微粒化相关的动粘度、表面张力、以及蒸馏特性(图6)成为同等程度的方式进行了调制。
此外，虽图4未有表示，但是为了进行比较，除了辛烷值大约为90RON的上述7种试样燃料之外，还准备了在国内的市面上销售的常规汽油。常规汽油的辛烷值为大约91RON。这样，图4的试样燃料(7种)和常规汽油均为具有同等RON的燃料。
(2-2)实验结果及考察
(a)实验结果
利用上述各燃料(共计8种)，在4个彼此不同的EGR率(0％、40％、60％、80％)的条件下进行了基于HCCI燃烧的运转。图7及图8表示了其结果。其外，在任一情形下，G/F均被设定为80。
首先，为了调查芳香族、烯族、环烷族各成分的影响，分别对使用Para90、Arom20、Arom30、Arom30-Ole20、及Arom30-Naph20各燃料时的热释放率进行了测定，从而得到了图7的图形。图7中的(a)、(b)、(c)、(d)各者分别是EGR率被设定为0％、40％、60％、80％时所得到的图形。如图7的图形(a)所示，在EGR率为0％的情况下，上述5种燃料尽管RON大致相同但点火时期却互不相同。例如，上述5种燃料中，仅由石蜡族成分构成的Para90的点火时期最早，而包含芳香族成分及环烷族成分的Arom30-Naph20的点火时期最迟。上述各燃料的点火时期的彼此的差异随着EGR率的增大而减小，当EGR率达到80％时(图形(d))，几乎看不出因燃料而引起的点火时期的差异。
其次，为了调查生物系燃料中所含的代表性成分的影响以及市面销售汽油的成分的影响，对使用EtOH20、ETBE20、及常规汽油(91RON)各燃料时的热释放率进行了测定，从而得到了图8的图形。图8中的(a)、(b)、(c)、(d)各者分别是EGR率被设定为0％、40％、60％、80％时所得到的图形。在各图形中，为了进行比较还一并表示了使用Para90时的热释放率。如图8的图形(a)所示，在EGR率为0％的情况下，基于缸内温度不足，常规汽油显示出较难点火的特性，其点火时期大幅度迟延。在EGR率为40％的情况下(图形(b))，常规汽油的点火时期为与Para90大致相同的点火时期。此外，与图7的情形同样地，当EGR率达到80％时(图形(d))，几乎看不出因燃料而引起的点火时期的差异。
根据上述燃烧实验(图7、图8)的结果，对实验中所被使用的所有8种燃料的点火时期、指示比燃料消耗率(ISFC)、及平均有效指示压力(IMEP)的变动率在与EGR率之间的关系上进行了调查，分别得到了图9的图形(a)至(c)。
如图9的图形(a)所示，在EGR率为0％的条件下，上述8种燃料之间存在着最大为大约6deg的点火时期差异。产生如此大的点火时期的参差有可能是如图7的图形(a)及图8的图形(a)所示那样因为在压缩冲程的中途发生了低温氧化反应(参照以虚线画圈的符号W的部分)。低温氧化反应是指在燃料发生剧烈的氧化反应(伴随产生火焰的反应)亦即高温氧化反应之前的在比较低温的环境下发生的缓慢的氧化反应。由于低温氧化反应是燃料的分子结构一点点地被破坏的缓慢的反应，因此，其易受燃料成分(分子结构)的差异所引起的影响。有可能是因为这样的低温氧化反应在先发生而对高温氧化反应产生影响，从而产生了较大的点火时期的差异。
另一方面，在EGR率提高至40％时，上述8种燃料整体上点火时期提前，并且它们的点火时期的差异仅在大约2deg以内。该倾向在EGR率进一步被提高时也是同样，在EGR率为80％的条件下，点火时期的差异减小至小于2deg。亦即，可知道：在具有同等RON的上述8种燃料之间，通过将EGR率设为40％以上，基本上能够消除燃料成分的相异对点火时期产生的影响。这有可能是因内部EGR对气缸内的高温化产生了影响，从而充分地抑制了低温氧化反应。此外，根据图9的图形(a)可知，EGR率从60％提高至80％时，整体上点火时期迟延，这是因为随着EGR率的增加而使得缸内气体的比热比下降，导致压缩终点温度下降。
此外，ISFC及IMEP变动率(图9的图形(b)、(c))也与点火时期的变化相同，在EGR率为40％以上时，几乎看不出因燃料成分而引起的影响。
(b)G/F的影响
为了明确基于G/F的差异所产生的影响，使用了辛烷值均为大约90RON的7种燃料(Para90、Arom30、Arom20、Arom30-Ole20、Arom30-Naph20、ETBE20、EtOH20)，并且在各种G/F的条件下进行了基于HCCI燃烧的运转。而且，调查了以Para90为基准的点火时期的差异(ΔIg)，得到了图10所示的等值线图形。G/F越小则供应到气缸内的燃料的供应量便越多，因此，G/F小意味着发动机负荷高，G/F大意味着发动机负荷低。此外，在EGR率为80的条件下，G/F为80时，过量空气系数λ达到1。因此，在比相当于该G/F80的负荷更高负荷侧不能进行运转。为此，在图10中，将λ为小于1的不能进行运转的区域(表示为“过浓(Over Rich)”的区域)设为空白。这在后述的图11、图13、图14的图形也同样。
如图10所示，可知道：在G/F为160以上的负荷低的运转条件下，点火时期的差异不因EGR率而处于±1deg以内，因燃料成分的相异所产生的影响小。然而，当G/F为小于160(亦即负荷增高)时，点火时期的差异大于±1deg的区域(亦即燃料成分的差异所产生的影响大的区域)开始出现。根据点火时期的差异为“1.0”的等值线可知，为了将点火时期的差异控制在±1deg以内，在G/F为100的条件下，有必要将EGR率设为20％以上，在G/F为80以下的条件下有必要将EGR率设为40％以上。
为了理解呈现图10那样的特性的机理，调查了进气门的关闭时期(IVC)的缸内温度，得到了图11所示的等值线图形。在该图11的图形中还一并表示了从图10所得到的点火时期差异±1deg的等值线。如图11所示，可知道：点火时期的差异(ΔIg)为大于±1deg的运转条件是G/F小(亦即燃料浓度高)且缸内温度低的运转条件。该情况暗示了点火时期的差异基于低温氧化反应的影响而产生。
(c)燃料成分的影响
为了调查燃料成分对HCCI燃烧的点火时期产生的影响，进行了利用辛烷指数(OI)的分析。即，通过针对每一运转条件来确定下式(1)所示的系数K，调查点火时期对RON和MON的依赖程度。
OI＝(1-K)×RON+K×MON (1)
众所周知，RON是研究法辛烷值，MON是马达法辛烷值。
上述两辛烷值均为表示燃料的可燃性(抗爆性)的指标，但测定条件相异。基于该测定条件的相异，可以说RON是表示比较低的温度条件下的可燃性的指标，MON是表示比较高的温度条件下的可燃性的指标。而且还可以说RON是表示伴随低温氧化反应的燃烧条件下的燃料的可燃性的指标，MON是表示不伴随低温氧化反应的燃烧条件下的燃料的可燃性的指标。
根据图9的图形(a)所示的各燃料的点火时期的变化亦即根据在G/F为一定值的80且EGR率变化的情况下的各燃料的点火时期的变化，针对每一EGR率，通过最小二乘法来确定上述式(1)的系数K，得到了图12的图形。此外，在确定系数K时，除了图9的图形(a)的点火时期的测定所使用的8种的燃料以外，还对被调制为辛烷值为80RON的别的试样燃料的点火时期和在国内市面销售的高辛烷汽油(100RON)的点火时期进行了测定，并且也利用了该测定的数据。
此处，针对每一运转条件来确定系数K意味着按每一运转条件来调查RON和MON的哪一方与点火时期的相关性高的情况。即，在某一运转条件下所确定到的K为较大时，可以说该运转条件是点火时期易受MON的值所产生的影响(亦即点火时期和MON的相关性高)的运转条件。这意味着其是低温氧化反应的影响较小的运转条件。另一方面，在某一运转条件下所确定到的K为较小时，可以说该运转条件是点火时期易受RON的值所产生的影响(亦即点火时期和RON的相关性高)的运转条件。这意味着其是低温氧化反应的影响较大的运转条件。系数K为1时，式(1)中，OI＝MON，因此，辛烷指数便为MON自身。此外，系数K为0时，式(1)中，OI＝RON，辛烷指数便为RON自身。
根据图12可知，系数K在EGR率为80％的条件下大于1，而在EGR率为40％的条件下几乎等于零，系数K随着EGR率减小而成正比地减小。这暗示着在EGR率为80％的条件下可以忽视低温氧化反应的影响、以及EGR率相对于80％越小则低温氧化反应的影响逐渐增大。即，可以说图12所示的系数K的变化良好地说明了燃料成分对点火时期产生的影响的特性。此外，根据图10可知，在EGR率为40％以上的范围中，在大部分的G/F的情况下，点火时期的差异为大约±1deg以下。基于该情况和图12的结果，可以说：为了在HCCI燃烧中充分地抑制燃料成分所产生的影响，系数K必须为0以上。相反，当系数K小于0时，低温氧化反应的影响变得非常大，基于燃料成分的相异而使HCCI燃烧的点火时期发生大幅度参差。因此，为了既能够避免这样的问题又能够进行恰当的HCCI燃烧，重要的是采用辛烷指数的系数K为0以上的运转条件亦即低温氧化反应的影响相对较小的运转条件。
(2-3)HCCI燃烧控制的准则研讨
(a)各种运转制约的研讨
进行HCCI燃烧时，所要考虑到的制约多于以往的SI燃烧(火花点火燃烧)。例如，会担心在发动机的高负荷区域中因进行急速的燃烧而发生较大的燃烧噪音，因此，存在着如下的制约：必须以不增大高负荷区域下的燃烧噪音的方式来控制HCCI燃烧。为此，在考虑了这样的制约的基础上，研讨了为了使燃料成分所产生的影响成为最小的燃烧控制的准则。
调查了利用常规汽油(91RON)进行HCCI燃烧时的燃烧噪音，得到了图13的图形(a)。具体而言，图13的图形(a)是表示与EGR率及G/F对应的最大压力上升率(dp/dθ)的变化的等值线图形。此外，制作了表示与EGR率及G/F对应的辛烷指数的系数K的变化的等值线图形，作为图13的图形(b)。此外，最大压力上升率(dp/dθ)是与曲柄角对应地变化的缸内压力的上升率的最大值，是成为燃烧噪音的指标的参数。
基于既能削弱燃料成分的影响又能抑制燃烧噪音这一观点，此处，将最大压力上升率的上限值假设为700kPa/deg(相当于5MPa/sec)，将系数K的下限值假设为0。如图形(a)所示，最大压力上升率在高负荷侧的部分区域中超过了上限值(700kPa/deg)，但由于EGR率较低时点火时期迟延，因此，在EGR率较低的范围(小于大约20％)的任一负荷下，最大压力上升率均被控制在上限值以下。如图形(b)所示，系数K在EGR率较低且负荷较高的部分区域中低于下限值(0)。这是由于当EGR率较低且负荷较高时，会在低温的气缸内存在高浓度的燃料，从而易受到低温氧化反应的影响。
(b)考虑了各运转制约的燃烧控制准则
通过将图13的图形(a)、(b)所示的最大压力上升率(dp/dθ)以及系数K的各允许值重叠于指示比燃料消耗率(ISFC)的等值线上，得到了图14的图形。利用该图14的图形，对为了既能够避免燃烧噪音增大又能够从低负荷至高负荷进行恰当的HCCI燃烧的控制准则进行研讨。图14中表示了最大压力上升率和系数K为允许范围外的区域亦即分别以灰色的着色表示了dp/dθ>700kPa的区域和K<0的区域，以下，将它们称作NG区域。
此处，最大压力上升率(dp/dθ)的NG区域为使用常规汽油时的区域，但是，如前所述，已知道：只要辛烷值等同，则通过形成系数K为0以上的运转条件，即使在使用燃料成分相异的燃料的情况下也能够获得同样的点火特性。因此，可认为在确保了燃料的辛烷值与常规汽油(91RON)为同等的情况下，通过以均避开了最大压力上升率及系数K的各NG区域的方式来调整运转条件，便能够不因燃料成分而实现低噪音且稳定的HCCI燃烧。
为此，提出了沿着图14所示的箭头p、q来控制EGR率的方案。即，首先如箭头p所示那样，在负荷低于最大压力上升率的NG区域(dp/dθ>700kPa的区域)的区域中，负荷越高(G/F越小)而越增大EGR率。EGR率被设定为通过系数K的NG区域(K<0的区域)外侧的近傍那样的值，并且与负荷对应地从0％逐渐增大到40％。在负荷接近到与压力上升率的NG区域的交界对应的值时，以使EGR率不进一步上升的方式，如箭头q所示那样，在维持EGR率在一定值(40％)的情况下使负荷上升。
由于箭头p相对于最大压力上升率和系数K的各NG区域而离开，因此可认为通过沿着该箭头p来控制EGR率，能够不受燃料成分影响而实现低噪音的HCCI燃烧。另一方面，由于箭头q位于压力上升率的NG区域内，因此有必要采取用于抑制燃烧噪音的别的对策。例如可考虑采取如下等对策：使燃料的喷射时期比通常更迟延从而故意延迟点火时期。
(3)实施方式的作用效果等的说明
下面，根据本发明人所进行的上述研究的成果，对图1及图2所示的实施方式的作用效果等进行说明。
上述实施方式中，在进行基于HCCI燃烧的运转时，按照图2所示的控制图谱所规定的目标EGR率来执行内部EGR的控制。可以说根据该图2的控制图谱的EGR率的设定是适合于上述研究中所获得的图14的控制准则的控制。即，图2的控制图谱中的区间P对应于沿着图14的箭头p来设定EGR率的情况，该控制图谱的区间Q对应于沿着图14的箭头q来设定EGR率的情况。根据以这样的方式来设定EGR率的上述实施方式，具有如下的优点：不受燃料成分影响便能够抑制HCCI燃烧的运转时的点火时期参差。
具体而言，上述实施方式中，在从最低负荷Y至阈值负荷X的负荷区域中，负荷越高(换言之G/F越小)EGR率越被增大。由此，越是气缸2的燃料浓度高的条件，缸内温度越被提高，因此，能够抑制低温氧化反应的发生，能够抑制因燃料成分而使燃料的点火时期出现参差的情况。例如，在负荷高且燃料浓度高的条件下，假若缸内温度低，便容易发生低温氧化反应，从而会担心基于该低温氧化反应的影响而使高温氧化反应的开始时期亦即燃料的点火时期因燃料成分而出现大幅度参差的情况。对此，上述实施方式中，由于越往燃料浓度高的高负荷侧，EGR率越被增大，因此，能够形成基于大量的内部EGR而使气缸2呈高温化从而不会发生(或难以发生)低温氧化反应的环境，其结果，能够充分地抑制因燃料成分相异而对点火时期产生的影响。由此，能够不受燃料成分影响而以同样的时期来使燃料点火，既能够允许使用成分相异的各种燃料又能够实现恰当的HCCI燃烧。
此外，上述实施方式中，通过在从最低负荷Y至阈值负荷X的负荷区域中，将EGR率设定为图2的控制图谱所示的值，如在图14的图形中作为箭头p所示的那样，能够将辛烷指数的系数K及最大压力上升率(dp/dθ)分别控制在允许范围内。由此，能够分别抑制因燃料成分相异所引起的点火时期参差、以及燃烧噪音的增大，能够不受燃料成分影响而实现恰当的HCCI燃烧。
上述实施方式中，在发动机的所有的负荷区域中，以辛烷指数的系数K为0以上的方式来设定EGR率，但是，也可以如在图15中作为箭头p'、q'所示的那样，以避开了点火时期的差异(ΔIg)超过±1deg的区域的方式来设定EGR率。通过这样做，来将ΔIg抑制在±1deg以下，因此，能够抑制因燃料成分的相异而引起的点火时期参差。此外，图15中的点火时期差异的NG区域(ΔIg>1.0deg的区域)的交界是通过重叠图10所示的ΔIg＝1.0的等值线所得到的交界。
此外，上述实施方式中，通过在进气冲程中使排气门12打开(随此而让已燃气体返流到气缸2中)来实现内部EGR，但是也可取代此，而通过设置使进气门及排气门双方均关闭的负重叠期间来实现内部EGR。或者，也可以取代内部EGR，而通过以短距离将进气通道和排气通道连结的EGR通道来执行使已燃气体回流的外部EGR。但是，此情况下，在EGR通道中不设置用于冷却已燃气体的EGR冷却器。这是为了通过不具备EGR冷却器的短距离的EGR通道将从气缸排出的已燃气体(排气气体)以高温的状态回流到气缸2中。总之，本发明中的EGR装置只要是能够实现使已燃气体以高温的状态导入到气缸内的EGR(高温EGR)的装置便可，限于此点，EGR装置可以进行各种变更。
(4)实施方式的总结
上述实施方式总结如下。
上述实施方式的压缩点火式汽油发动机包括：气缸，收容有能够进行往复移动的活塞；燃料喷射阀，将以汽油为主成分的燃料喷射到所述气缸；EGR装置，能够执行使所述气缸中所生成的已燃气体以高温的状态导入气缸的高温EGR；以及燃烧控制部，控制所述燃料喷射阀及所述EGR装置，以使从所述燃料喷射阀喷射出的燃料在气缸内发生基于自点火的HCCI燃烧；其中，所述燃烧控制部至少在进行HCCI燃烧的局部负荷运转区域中，以使气缸内的总气体量与燃料量之比亦即G/F为较小的高负荷条件下的EGR率相比于低负荷条件下的EGR率较大的方式来控制所述EGR装置。
根据该结构，在进行基于HCCI燃烧的运转时，由于G/F为较小(换言之，燃料浓度较高)的高负荷条件下的EGR率被设定为相比于低负荷条件下的EGR率较大，因此，随着EGR率的增大而使气缸内呈高温化，从而能够抑制低温氧化反应的发生，能够抑制因燃料成分而使燃料的点火时期出现参差的情况。例如，在负荷高且燃料浓度高的条件下，假如缸内温度低，便容易发生低温氧化反应，从而会担心基于该低温氧化反应的影响而使高温氧化反应的开始时期亦即燃料的点火时期因燃料成分而出现大幅度参差的情况。对此，所述结构中，由于燃料浓度为较高的高负荷条件下的EGR率被设定为相比于低负荷条件下的EGR率较大，因此，能够形成基于大量的高温EGR而使气缸呈高温化从而不会发生(或难以发生)低温氧化反应的环境，其结果，能够充分地抑制因燃料成分相异而对点火时期产生的影响。由此，能够不受燃料成分影响而以同样的时期来使燃料点火，既能够允许使用成分不同的各种燃料又能够实现恰当的HCCI燃烧。
较为理想的是，所述燃烧控制部以实现如下的EGR率的方式来控制所述EGR装置，该EGR率能够使下述式(1)所表示的辛烷指数的系数K成为指定值以上。
OI＝(1-K)×RON+K×MON (1)
式中，RON是研究法辛烷值，MON是马达法辛烷值。
这样，在以辛烷指数的系数K成为较大的值的方式来设定EGR率的情况下，能够形成点火时期与RON的相关性低且低温氧化反应的影响小的运转条件，能够有效地抑制因燃料成分的相异而引起的点火时期参差。
或者，作为能够获得同样效果的别的实施方式，所述燃烧控制部也可以以实现如下的EGR率的方式来控制所述EGR装置，该EGR率能够将因燃料成分的相异而引起的点火时期参差抑制在指定值以下。
较为理想的是，所述气缸的几何压缩比被设定为18以上且22以下。
根据该结构，能够恰当地形成能够实现HCCI燃烧的高温高压的缸内环境。
较为理想的是，所述EGR装置是能够执行作为所述高温EGR的内部EGR的配气可变机构，所述内部EGR使所述气缸中所生成的已燃气体留在气缸中。
根据该结构，通过使高温的已燃气体留在气缸中，能够切实地提高缸内温度。

Claims (5)

1.一种压缩点火式汽油发动机，其特征在于包括：
气缸，收容有能够进行往复移动的活塞；
燃料喷射阀，将以汽油为主成分的燃料喷射到所述气缸；
EGR装置，能够执行使所述气缸中所生成的已燃气体以高温的状态导入气缸的高温EGR；以及
燃烧控制部，控制所述燃料喷射阀及所述EGR装置，以使从所述燃料喷射阀喷射出的燃料在气缸内发生基于自点火的HCCI燃烧；其中，
所述燃烧控制部至少在进行HCCI燃烧的局部负荷运转区域中，以使气缸内的总气体量与燃料量之比亦即G/F为较小的高负荷条件下的EGR率相比于低负荷条件下的EGR率较大的方式来控制所述EGR装置。
2.根据权利要求1所述的压缩点火式汽油发动机，其特征在于：
所述燃烧控制部以实现如下的EGR率的方式来控制所述EGR装置，该EGR率能够使下述式(1)所表示的辛烷指数的系数K成为指定值以上，
OI＝(1-K)×RON+K×MON (1)
式中，RON是研究法辛烷值，MON是马达法辛烷值。
3.根据权利要求1所述的压缩点火式汽油发动机，其特征在于：
所述燃烧控制部以实现如下的EGR率的方式来控制所述EGR装置，该EGR率能够将因燃料成分的相异而引起的点火时期参差抑制在指定值以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩点火式汽油发动机，其特征在于：
所述气缸的几何压缩比被设定为18以上且22以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压缩点火式汽油发动机，其特征在于：
所述EGR装置是能够执行作为所述高温EGR的内部EGR的配气可变机构，所述内部EGR使所述气缸中所生成的已燃气体留在气缸中。
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