CN110067664B - 发动机 - Google Patents

Abstract

一种发动机，有效地抑制强爆震，提高发动机的可靠性。该发动机具备：由活塞(3)在气缸(11)中划分出的燃烧室(17)、向燃烧室(17)中供给含有汽油的燃料的燃料供给装置(61)、具有预测爆震的发生的爆震发生预测单元(80)的ECU(8)、向燃烧室(17)中喷射燃料的喷油器(6)。爆震发生预测单元(80)预测到规定强度以上的强爆震的发生的情况下，在燃烧开始而MBF不到50％的期间内，喷油器(6)向燃烧室(17)中喷射燃料。

Description

发动机

技术领域

本发明涉及发动机，涉及抑制规定强度以上的强爆震的技术。

背景技术

爆震是在发动机的运转时发出异响的现象，特别是在火花点火式的发动机中受到重视。爆震的发生会给利用者的舒适性及发动机的可靠性带来不良影响。因此，爆震的抑制在这种技术领域中成为重要的课题，到目前为止提出了各种各样的对策。

例如在专利文献1中公开了具备检测爆震的爆震传感器的发动机。该发动机的ECU基于由爆震传感器检测到的信号来判定爆震的有无。判定为有爆震的情况下，ECU使点火时期滞后，根据发动机的负荷，对滞后量及燃料的减少量进行控制。由此，在发生爆震时，在抑制废气的温度上升的同时也抑制爆震。

在专利文献2中公开了具备第1及第2直喷型的燃料喷射阀、以及与这些燃料喷射阀分别对应的第1及第2火花塞的发动机。在该发动机中，与运转状态相应的量的燃料分为压缩上死点之前和之后进行喷射。

详细地说，在压缩上死点前，空燃比被设定为贫状态，从第1燃料喷射阀喷射燃料，通过第1火花塞的点火来燃烧。在压缩上死点后，空燃比被设定为富状态，从第2燃料喷射阀喷射燃料，通过第2火花塞的点火来燃烧。由此，在提高热效率的同时抑制爆震的发生，能够实现发动机的高压缩比。

专利文献1：日本特开2008-291758号公报

专利文献2：日本特开2012-41846号公报

虽然频度非常低(例如0.1％程度)，特别是在发动机以高转速运转的情况下，可能会发生压力变动的振幅超过100bar的强爆震。这样的强爆震很可能会给发动机带来损伤，所以成为使发动机的可靠性降低的原因。强爆震在压缩比高的发动机也容易发生，所以成为妨碍油耗改善的要因。

如专利文献1那样，使点火时期滞后能够有效地抑制强爆震。但是，由于实质的压缩比降低，所以从油耗改善的观点来说并不合适。此外，点火时期被制约，所以能够实施的运转区域受限。因此，专利文献1的发动机有时可能无法抑制强爆震。

专利文献2的发动机需要在1次燃烧循环的过程中两次燃烧，所以零件个数变多而构造变复杂。专利文献2的发动机也受到燃烧条件的制约，所以与专利文献1的发动机同样，能够实施的运转区域受限，有时可能无法抑制强爆震。

发明内容

本发明的目的在于，有效地抑制强爆震，提高发动机的可靠性。

本发明涉及发动机。

一种发动机，具备：在气缸内划分出的燃烧室，其容积随着升降的活塞而变化；燃料供给装置，向所述燃烧室中供给含有汽油的燃料；控制装置，具有预测爆震的发生的爆震发生预测单元；以及流体喷射装置，向所述燃烧室中喷射流体，由所述爆震发生预测单元预测到规定强度以上的强爆震的发生的情况下，在燃烧开始而向所述燃烧室供给的燃料的质量燃烧比例不到50％的期间内，所述流体喷射装置向所述燃烧室中喷射所述流体。

即，在该发动机中，预测到强爆震的发生的情况下，在燃烧结束之前执行向燃烧室中喷射流体的处理。向燃烧室中喷射流体后，燃烧正在进行的混合气被搅拌。如果在燃烧的过程中混合气被搅拌，则混合气整体的温度均一化。其结果，抑制了未燃混合气的局部的温度上升，所以能够抑制强爆震。

在燃烧的途中向燃烧室中喷射流体而对混合气进行搅拌，从而抑制强爆震。因此，与发动机的运转条件无关，所以几乎不受到运转区域的制约。

并且，在目前进行的实验中最早确认到强爆震的发生是在所述质量燃烧比例50％的定时。因此，通过在其以前喷射流体，能够抑制强爆震的大部分。由此，在该发动机中，能够有效地抑制强爆震，提高发动机的可靠性。

优选为，从质量燃烧比例成为20％时起，所述期间开始。

详细情况留待后述，在质量燃烧比例成为20％之前的燃烧初期的期间能够预测强爆震。因此，在质量燃烧比例成为20％时以后，能够基于该预测向燃烧室中喷射流体，所以能够在同一燃烧循环中执行强爆震的预测及抑制的处理。

优选为，所述期间在压缩上死点经过后开始。强爆震在燃烧期间中是在压缩上死点经过后发生的。此外，基于混合气的搅拌的强爆震的抑制，在强爆震即将发生之前进行是有效的。因此，通过在压缩上死点经过后开始所述期间，能够有效地抑制强爆震。

优选为，所述流体的喷射压为30Mpa以上。如果是30MPa以上的喷射压，则能够在燃烧期间中的适当的时间内有效地对混合气进行搅拌。

优选为，所述燃料供给装置包括向所述燃烧室中喷射所述燃料的喷油器，所述流体喷射装置由所述喷油器构成，并且所述流体由追加喷射的所述燃料构成。

这样，能够利用发动机中附设的喷油器和发动机所使用的燃料来搅拌混合气。因此，不需要复杂的改良和装置的增设，能够容易地实现强爆震的抑制。还具有能够得到燃料的气化所带来的冷却作用的优点。

优选为，所述爆震发生预测单元包括：爆震信息取得部，检测或推定所述燃烧室中的压力；以及爆震强度判别部，设定有成为用来判别所述强爆震的基准的基准值，所述爆震信息取得部在燃烧刚开始的燃烧初期的期间内，检测或推定所述燃烧室中的压力，所述爆震强度判别部，在所述燃烧进行的过程中，将所述压力与所述基准值进行比较，判别所述压力是否超过所述基准值，在所述压力超过所述基准值的情况下，在燃烧开始而所述质量燃烧比例不到50％的期间内，所述喷油器追加喷射所述燃料。

根据该发动机，预测强爆震的发生的一系列处理在同一燃烧循环中的1次燃烧期间中进行。因此，即使是发生频度较少而突发性的强爆震，也能够稳定且有效地预测。由于是追加喷射燃料，所以不会受到发动机的运转条件限制。

优选为，追加喷射的所述燃料的质量被设定为在追加喷射该燃料的燃烧循环中喷射的所述燃料的总质量的10％以下。

从抑制爆震的观点来说，追加喷射的燃料的量越多越好。但是，如果燃料的追加喷射量太多，则相应地煤烟也增加。在同一燃烧循环中从预测到追加喷射为止进行，所以还有能够喷射燃料的时间较短的制约。对此，如果是喷油器，则这种程度的喷射量也能够得到所需的混合气的搅拌效果。因此，能够抑制煤烟的发生。

优选为，所述发动机的几何学压缩比为14以上。强爆震在压缩比高的情况下容易发生，所以将该技术应用到几何学压缩比为14以上的发动机更有效果。

发明的效果：

根据本发明，能够有效地抑制强爆震，提高发动机的可靠性。

附图说明

图1是表示实施方式的发动机的构成的概略图。

图2是表示控制装置的构成的框图。

图3是在发动机的控制中使用的运转区域映射图的一例。

图4是用于说明主要的运转区域中的燃烧状态的图。

图5是表示强爆震的预测处理及抑制处理的主要流程的流程图。

图6是用于说明爆震强度的图。

图7是表示多个燃烧循环中的、燃烧时的缸内压变化和曲柄角度的关系的图表。

图8是表示图7所示的各燃烧中的、质量燃烧比例和曲柄角度的关系的图表。

图9是表示爆震的预测及抑制的控制的流程的一例的流程图。

图10是用于说明进行强爆震的预测及抑制的控制时的燃烧状态的图。

图11是表示强爆震的预测及抑制的控制的验证实验结果的图表。

符号的说明：

1发动机；3活塞；6喷油器；8ECU；17燃烧室；25火花塞；80爆震发生预测程序(爆震发生预测单元)；81爆震信息取得部；82爆震强度判别部；SV基准值

具体实施方式

以下基于附图详细说明本发明的实施方式。但是，以下的说明本质上只是例示，本发明不限制其适用物或其用途。

＜发动机的构成＞

图1表示应用了本发明的发动机1。该发动机1搭载于汽车。汽车通过发动机1运转而行驶。发动机1通过含有汽油的燃料运转。发动机1的燃料可以是纯正的汽油，也可以是含有生物乙醇等的汽油。即，该发动机1的燃料只要是至少含有汽油的液体燃料，可以是任何燃料。

该发动机1进行将SI(Spark Ignition)燃烧和CI(Compression Ignition)燃烧组合的形态的燃烧(也称作SPCCI燃烧)。即，SI燃烧是通过使混合气强制点火而开始的燃烧。CI燃烧是通过混合气自点火而开始的燃烧。在SPCCI燃烧中，点燃的混合气通过火焰传播而燃烧，利用该燃烧的发热和压力上升，未燃混合气通过自点火而燃烧。

通过调整SI燃烧的发热量，能够吸收压缩开始前的温度的偏差。因此，如果根据压缩开始前的温度来控制SI燃烧的开始定时，则能够控制CI燃烧。SPCCI燃烧是有机地控制SI燃烧和CI燃烧的燃烧形态。

发动机1具备由气缸体12和载置在气缸体12上的气缸头13构成的发动机主体10。在气缸体12的内部形成有多个气缸11(在图1中仅示出1个气缸11)。发动机主体10还具备活塞3、喷油器6、火花塞25、吸气阀21、排气阀22等。

在各气缸11内以可升降的方式嵌入着活塞3。活塞3经由连结杆14与曲柄轴15连结。活塞3与气缸体12及气缸头13一起划分出容积变化的燃烧室17。另外，“燃烧室17”与活塞3的位置无关，指的是在发动机主体10的内部形成的燃烧空间。

燃烧室17的顶棚面是所谓的屋脊形状。在燃烧室17的地面、即活塞3的上面形成有腔室(凹部)。腔室在活塞3位于压缩上死点附近时面向喷油器6。燃烧室17的形状可以根据发动机1的规格而变更。例如腔室的形状、活塞3的上面的形状、以及燃烧室17的顶棚面的形状等可以适当变更。

发动机1的几何学压缩比被设定为14以上30以下、优选为14以上18以下。SPCCI燃烧利用SI燃烧的发热和压力上升来控制CI燃烧。因此，在该发动机1中，为了使混合气自点火，不需要提高活塞3到达压缩上死点时的燃烧室17的温度(压缩端温度)。

即，该发动机1的几何学压缩比比仅进行SI燃烧的通常的火花点火式发动机高，比仅进行CI燃烧的情况低。几何学压缩比高有利于热效率的增加，几何学压缩比低有利于冷却损失及机械损失的减小。发动机1的几何学压缩比可以根据燃料的规格来设定。例如，标准规格(燃料的辛烷值为91程度)的情况下，可以是14以上17以下，高辛烷规格(燃料的辛烷值为96程度)的情况下，可以是15～18。

在气缸头13上，按照每个气缸11形成有与燃烧室17连通的2个吸气端口18。吸气阀21设置在各吸气端口18，对燃烧室17和吸气端口18之间进行开闭。吸气阀21通过可变动阀机构来开闭，其开闭时期及/或开闭量能够变更。

在气缸头13上，还按照每个气缸11形成有与燃烧室17连通的2个排气端口19。排气阀22设置在各排气端口19，对燃烧室17和排气端口19之间进行开闭。排气阀22通过可变动阀机构来开闭，其开闭时期及/或开闭量能够变更。

喷油器6按照每个气缸11设置于气缸头13。喷油器6构成为从燃烧室17的顶棚面的大致中央部向燃烧室17中直接喷射燃料。喷油器6的喷射中心与腔室对置。喷油器6具有在周方向上以等间隔配置的多个喷孔，从这些喷孔喷射的燃料的喷雾从燃烧室17的上部朝向斜下方以放射状扩散。喷油器6具有通过螺线管和压电元件的驱动来开闭的喷嘴。由此，喷嘴的开闭能够高速地响应于控制信号，例如能够进行1ms以下的高速喷射。

喷油器6与燃料供给装置61连接。燃料供给装置61由喷油器6、燃料箱63、燃料供给路62、燃料泵65、共轨64等构成。通过燃料泵65，燃料箱63中收容的燃料经由燃料供给路62被加压输送到共轨64。燃料以30MPa以上的高压蓄积在共轨64中。共轨64经由燃料供给路62与喷油器6连接，通过喷油器6开阀，燃料以30MPa以上的高压喷射到燃烧室17中。在该发动机1中，燃料的喷射压被设定为60MPa。

火花塞25按照每个气缸11设置于气缸头13。火花塞25对燃烧室17中形成的混合气强制点火。火花塞25在其前端具有电极，该电极配置为从2个吸气端口18、18之间面向燃烧室17的上部。

在发动机主体10的一侧面连接着与各气缸11的吸气端口18连通的吸气通路40。在吸气通路40设置有空气净化器41、稳压箱42、节流阀43、增压机44、中冷器46等。经由吸气通路40向燃烧室17导入气体。

节流阀43变更向燃烧室17中导入的新气的量。增压机44由发动机1驱动，对导入至燃烧室17的气体进行增压。增压机44在对气体增压的状态(开启)和不对气体增压的状态(关闭)之间进行切换控制。中冷器46对由增压机44压缩后的气体进行冷却。

在吸气通路40连接着对增压机44及中冷器46进行旁通的旁通通路47。在旁通通路47配设有对气体的流量进行变更的空气旁通阀48。通过将增压机44关闭并将空气旁通阀48设为全开，气体经由旁通通路47被导入至燃烧室17。这种情况下，发动机1在非增压(自然吸气)的状态下运转。在增压状态下使发动机1运转的情况下，将增压机44开启，变更空气旁通阀48的开度。由此，能够一边变更增压压力一边向燃烧室17导入增压后的气体。

在吸气端口18的一方设置有涡流控制阀56，由该涡流控制阀56在燃烧室17中形成涡流，并变更其强度。如果其开度小，则涡流变强，如果其开度大，则涡流变弱。在该发动机1中，特别是，为了实现稳定的SPCCI燃烧，涡流比在1.5～3(如果是涡流控制阀56的开度，则为25％～40％)的范围内调整。

在发动机主体10的另一侧面连接着与各气缸11的排气端口19连通的排气通路50。在排气通路50设置有2个催化变换器57、58。上游的催化变换器57配置于发动机舱内，具有三元催化剂和GPF。下游的催化变换器58配置于发动机舱外，具有三元催化剂。另外，催化变换器57、58的构成能够根据发动机1的规格适当变更。

在吸气通路40和排气通路50之间连接着使已燃气体的一部分回流到吸气通路40的EGR通路52。在EGR通路52设置有EGR冷却器53及EGR阀54。EGR阀54用于变更EGR通路52中流动的已燃气体的流量，EGR冷却器53用于将EGR通路52中流动的已燃气体冷却(外部EGR系统)。通过外部EGR系统，低温的已燃气体被供给至燃烧室17。

在发动机1中设置有多个传感器SW1～SW16。例如，空气流量传感器SW1、吸气温度传感器SW2、压力传感器SW3、吸气温度传感器SW4、压力传感器SW5、缸内压传感器SW6、排气温度传感器SW7、线性O2传感器SW8、拉姆达O2传感器SW9、水温传感器SW10、曲柄角传感器SW11、油门开度传感器SW12、吸气凸轮角传感器SW13、排气凸轮角传感器SW14、EGR差压传感器SW15、燃压传感器SW16等设置在发动机1的各个部位。这些传感器SW1～SW16如图2所示，与ECU8(控制装置的一例)连接，并且在发动机1的运转中随时将检测到的信号输出至ECU8。

例如，曲柄角传感器SW11安装于发动机1，检测曲柄轴15的旋转角。缸内压传感器SW6按照每个气缸11安装于气缸头13，检测各燃烧室17中的压力(也称作缸内压)，并将该检测信号输出至ECU8。缸内压传感器SW6的情况下，其检测信号例如能够以与发动机1的最高转速下曲柄轴15每旋转1次的时间同等或其以下的间隔输出。

如图1及图2所示，ECU8由包括处理器8a、存储器8b、接口8c等在内的硬件、以及包括运转区域映射图70等的各种数据及控制程序等在内的软件等构成。ECU8例如安装32或64比特的、动作频率为100MHz以上的高性能的处理器8a，能够进行高速且高度的运算处理。

ECU8基于从各传感器SW1～SW16输出的信号和接下来说明的运转区域映射图70等数据，对构成发动机1的各装置进行控制，以使发动机1正确地运转(在图2中作为其一例仅示出了喷油器6和火花塞25)。详细情况留待后述，ECU8还预测规定强度以上的爆震的发生，并基于该预测进行抑制该爆震的控制。

＜运转区域映射图＞

图3示出了发动机1的运转控制所使用的运转区域映射图70的一例。该运转区域映射图70用于热机时的运转，包含相互划分出的5个区域。

(1)：包含怠速运转且扩展到低转速及中转速的区域的“低负荷区域”

(2)：负荷比低负荷区域高且扩展到低转速及中转速的区域的“中负荷区域”

(3)：负荷比中负荷区域高的区域、且包含全开负荷的高负荷区域的中转速的区域即“高负荷中转速区域”

(4)：在高负荷区域中转速比中转速区域低的低转速的区域即“高负荷低转速区域”

(5)：转速比低负荷区域、中负荷区域、高负荷中转速区域及高负荷低转速区域高的“高转速区域”

这里所称的低转速、中转速及高转速的各区域是将发动机1的全部运转区域按旋转方向大致三等分的情况下的、从低转速侧起依次排列的各区域。将低于转速N1(例如1200rpm程度)作为低转速，将转速N2(例如4000rpm程度)以上作为高转速，将转速N1以上但低于N2作为中转速。

发动机1可以在运转区域映射图70的整个区域进行SPCCI燃烧，但是在该构成中，在低负荷区域(1)、中负荷区域(2)及高负荷中转速区域(3)中进行SPCCI燃烧。在其他区域、具体地说是高负荷低转速区域(4)及高转速区域(5)，发动机1进行基于火花点火的SI燃烧。另外，在冷机时或启动时等发动机1尚未充分热起来时，也可以在低负荷区域(1)、中负荷区域(2)及高负荷中转速区域(3)的部分区域或整个区域进行SI燃烧。

增压机44在低负荷区域(1)及中负荷区域(2)中的低负荷且低转速的区域关闭。发动机1在这些区域中以非增压的状态、即自然吸气的状态运转。在其他区域、例如高负荷中转速区域(3)、高负荷低转速区域(4)及高转速区域(5)的各区域中开启。发动机1在这些区域中，以增压状态、即增压机44的下游侧成为动态地比大气压高压的状态运转。

(SPCCI燃烧)

发动机1以改善油耗及提高废气排放性能为主要目的，在低负荷区域(1)等中进行SPCCI燃烧。进行SPCCI燃烧时，涡流控制阀56被控制为关闭侧的规定的开度，在燃烧室17中形成具有规定强度的斜涡流(例如涡流比为1.5～3的范围)。

燃烧室17中形成的混合气的空气过剰率λ，在低负荷区域(1)中超过1(A/F为30以上)，在中负荷区域(2)中为大致1(1.0～1.2)，在高负荷侧控制为1以下。根据需要向燃烧室17中导入EGR气体。例如，在低负荷区域(1)中，通过设定正重叠期间和负重叠期间，导入内部EGR气体。在中负荷区域(2)及高负荷中转速区域(3)中，根据需要导入冷却的外部EGR气体。EGR气体量被控制为随着负荷变高而减少。

在图4的上段示出SPCCI燃烧下的燃烧形态的一例(高负荷中转速区域(3)中的燃烧)。燃料在从吸气冲程到压缩冲程的期间内的规定定时喷射，如图例那样，根据需要而分割喷射(用符号In1、In2示出)。通过与涡流的组合，混合气有时会分层(例如，中央部的混合气的A/F为20以上30以下，外周部的混合气的A/F为35以上)。进行SPCCI燃烧时的燃烧室17的整体的G/F通常控制为18以上50以下。

在压缩上死点的前后的规定的定时，火花塞25被强制地点火(用符号S1示出)。由此，燃烧室17中形成的混合气进行SPCCI燃烧。由此，形成与SI燃烧连续地进行CI燃烧的燃烧波形(表示热发生率的变化的波形，用符号W1示出)。

(SI燃烧)

在该构成的发动机1中，在高转速区域(5)等难以进行稳定的SPCCI燃烧时进行SI燃烧。进行SI燃烧时，涡流控制阀56向打开侧控制(通常为大致全开)。进行SI燃烧时，还根据需要导入冷却的外部EGR气体，混合气的空气过剰率λ被控制为大致1(1.0～1.2)。

在高负荷低转速区域(4)进行延迟喷射。即，在从压缩冲程的后期到膨胀冲程的初期为止的期间(延迟期间)，喷油器6喷射高压(例如30MPa以上)的燃料。

如图4的下段所示，在高转速区域(5)，在吸气冲程的期间中喷射燃料(用符号In3示出)。在压缩上死点的前后的规定的定时，火花塞25强制点火(用符号S2示出)。由此，燃烧室17中形成的混合气不进行自点火而燃烧，形成SI燃烧的燃烧波形(用符号W2示出)。

＜强爆震的预测＞

爆震是在进行SI燃烧的火花点火式发动机中特别受到重视的现象。详细地说，通过基于火花塞的点火而混合气的燃烧开始后，燃烧通过火焰传播而扩大。在此期间，未燃混合气(end gas)的温度及压力局部地变高，可能会发生基于自点火的燃烧。基于自点火的燃烧比基于火焰传播更剧烈，所以其压力振动形成噪音和冲击，从而产生爆震。

通常，爆震在发动机在高负荷的运转区域中以低转速运转时发生，随着转速变高且火焰传播速度变快而消除。但是，爆震在发动机以高转速运转时也发生。以高转速运转时发生的爆震，有比以低转速运转时发生的爆震更强的倾向。并且，虽然频度非常少(例如0.1％程度)，有时会发生规定强度以上的强爆震(也称作强爆震)。

在进行SPCCI燃烧的该发动机1中，几何学压缩比为14以上，与一般的火花点火式发动机相比，被设定为在燃烧时燃烧室17中的压力变高。因此，该发动机1与一般的火花点火式发动机相比更容易发生爆震。并且，在该发动机1中，与一般的火花点火式发动机同样，有时会发生强爆震。

强爆震即使频度很低，也很可能会给发动机带来损伤。因此，强爆震成为降低发动机的可靠性的原因。对此，本发明人们发现，能够从燃烧初期的缸内压来预测强爆震的发生。基于该见解，在该发动机1中，采用了能够高精度地预测强爆震的发生，并能够基于该预测来抑制强爆震的技术。

即，该发动机1首先如图5所示，执行如下的处理：爆震信息取得处理100(爆震信息取得步骤)，在从压缩冲程的后期到膨胀冲程的初期为止的、燃烧刚开始的燃烧初期的期间内，检测或推定缸内压；以及爆震强度判别处理101(爆震强度判别步骤)，在该燃烧进行的过程中，将缸内压与预先设定的基准值SV做比较，判别缸内压是否超过该基准值SV。然后，在缸内压超过该基准值SV的情况下，预测为在到燃烧结束为止的期间中会发生强爆震。

具体地说，如图2所示，在ECU8中安装有预测强爆震的发生的爆震发生预测程序80(爆震发生预测单元)。爆震发生预测程序80包括爆震信息取得部81和爆震强度判别部82。爆震信息取得处理100由爆震信息取得部81执行，爆震强度判别处理101由爆震强度判别部82执行。

即，ECU8在发动机1的运转中始终基于从缸内压传感器SW6输入的检测信号来检测缸内压。爆震信息取得部81取得从压缩冲程的后期到膨胀冲程的初期为止的、燃烧刚开始的燃烧初期的期间内的缸内压。爆震强度判别部82与爆震信息取得部81协作而执行预测强爆震的发生的处理。爆震强度判别部82中设定了成为用于预测该强爆震的基准的基准值SV。

该基准值SV是与规定大小(例如100bar等)的爆震强度(Kp)对应的、规定的判别定时的缸内压。基准值SV存储在ECU8的存储器8b中。基准值SV能够变更，与发动机1的规格对应地设定。

在此，爆震强度是表示爆震的强弱的指标，是起因于爆震的缸内压脉冲的振幅值。爆震强度是通过对缸内压的数据进行运算处理而取得的。

参照图6具体说明爆震强度。图6的上侧所示的波形表示某燃烧循环中的缸内压变化。燃烧后期出现的脉冲状的波形表示爆震。利用高通滤波器(HPF)等对这样的缸内压的压力波形进行处理，从压力波形中除去压缩压等的发动机固有的压力变动成分。由此，如图6的下侧所示，提取出仅由起因于爆震的压力脉冲构成的压力波形。一般来说，该压力波形的压力脉冲之中的最大的振幅值是该燃烧循环中的爆震强度(Kp)(单位：bar)。

基准值SV是发生强爆震之前的、燃烧初期(具体地说，从混合气的燃烧刚开始后直到之后发生爆震为止的燃烧过程)的规定定时的缸内压，预先通过实验等取得。基准值SV可以是1个，也可以是多个。基准值SV根据判别条件来设定即可。参照图7说明一例。

图7的图表表示规定条件下的燃烧时的缸内压变化。该燃烧条件与在高转速区域(5)中使发动机1以4000rpm的转速运转的情况对应(在以下的说明中，作为发动机1中的燃烧进行说明)。在图7中，将在燃料的喷射量、喷射定时、点火定时等相同的燃烧条件下进行的多个燃烧循环的缸内压变化以重叠的状态示出。

在例示的燃烧条件下，燃料的喷射在吸气冲程的规定的定时一并进行，基于火花塞25的点火在压缩上死点前的曲柄角为7°(也称作－7°CA)的前后的定时进行。由此，随着接近压缩上死点，缸内压逐渐上升，在压缩上死点(0°CA)的附近开始基于点火的燃烧。超过压缩上死点而进入膨胀冲程后，与伴随着活塞3的下降的缸内压的减少一起，基于火焰传播的燃烧进行。通过该燃烧热和燃烧压，在一部分燃烧循环中发生自点火，在20°CA以后，发生大量表示爆震的压力脉冲。

在这些压力脉冲之中，存在些许峰值异常大的脉冲。例如，如果将表示超过图示的基准线L的压力脉冲的爆震作为爆震强度为规定以上的强爆震，则强爆震的发生频度在1000次燃烧循环中为数次程度。

在发生这种强爆震的燃烧中，与不发生强爆震的燃烧相比，有燃烧初期的缸内压相对变大的倾向。本发明人们着眼于这一点发现，在燃烧初期的适当的定时将缸内压与规定的基准值SV进行比较，就能够判别之后是否会发生强爆震。

例如，观察图7中箭头A所示的在最早的定时发生强爆震的燃烧(也称作强爆震燃烧)的缸内压变化的情况下，在混合气的燃烧刚开始后(在该例中，曲柄角为压缩上死点后几度的定时)直到之后发生爆震为止的燃烧初期的期间中，缸内压相对变大，在与不发生强爆震的燃烧之间出现压力差。因此，通过设定能够判别该压力差的基准值SV，并在燃烧初期将缸内压与基准值SV进行比较，能够判断之后是否会发生强爆震。

如前述那样，在该发动机1中，通过缸内压传感器SW6以1°CA级别检测缸内压，并输出至ECU8。然后，在ECU8中安装有能够高速地进行高度的运算的处理器8a。因此，在燃烧初期的规定的定时，将由缸内压传感器SW6检测到的缸内压与基准值SV进行比较，能够预测在燃烧进行的过程中发生的强爆震。例如，该发动机1的情况下，即使是以超过5000rpm的高转速运转的情况下，也能够进行强爆震的预测。

适于判别缸内压是否超过基准值SV的定时(判别定时)随着燃烧条件而变动。因此，判别定时优选设定在与容易发生强爆震的燃烧条件对应的期间内。具体地说，判别定时优选设定在曲柄角从上死点前15°(－15°CA)到上死点后25°(25°CA)为止的期间内。

强爆震如前述那样，当发动机在高负荷且高转速的运转区域运转时有容易发生的倾向。在这样的运转区域的燃烧条件下，燃烧初期的期间多处在－15°CA到25°CA的期间内。因此，通过将判别定时设定在该期间内，能够有效且稳定地进行强爆震的预测。

从爆震抑制的观点来说，在到发生之后的爆震之前为止的燃烧过程中，需要执行抑制爆震的处理。因此，即使是燃烧初期的期间，判别定时也需要设定在能够判别强爆震的发生的较早的时期。

例如，在图7所示的燃烧条件下，优选为在从5°CA到13°CA的期间内(图7的r1)设定判别定时。在该发动机1中，作为例示的燃烧条件下的判别定时，设定9°CA。

另外，用来与基准值SV比较的缸内压，可以是从缸内压传感器SW6的检测信号求出的缸内压的检测值本身，也可以是从多个缸内压的检测值运算而得到的值。此外，判别定时不限于一个，也可以是多个。判别定时为多个的情况下，按照每个判别定时设定基准值SV，将这些基准值SV和与其对应的缸内压进行比较并综合地判别即可。这样的缸内压的信息由爆震信息取得部81取得。

进而，判别定时优选为基于质量燃烧比例(Burned Mass Fraction，BMF)来设定，从爆震抑制的观点出发，优选为设定在质量燃烧比例为5％～20％的期间内。

燃烧期间根据燃烧条件而提前或滞后。伴随于此，最佳的判别定时也变化。因此，如果基于曲柄角来设定判别定时，若燃烧条件变化，则判别定时可能从会最佳的定时偏离。对此，如果基于质量燃烧比例来设定判别定时，即使燃烧条件变化，与其相应地判别定时也变化，所以能够维持最佳的定时。

在此，“质量燃烧比例”是在该技术领域中使用的表示燃烧的进行程度的指标。质量燃烧比例大体上相当于燃烧的燃料质量相对于总燃料质量的比例(％)。质量燃烧比例还可以是燃烧室17被供给的每1个燃烧循环的燃料的质量A之中的、已燃烧的燃料的质量B的比(B/A，单位％)。质量燃烧比例还可以是到作为对象的时点为止发生的发热量D相对于燃烧室17被供给的全部燃料都燃烧时发生的总发热量C的比例(D/C，单位％)。

质量燃烧比例能够从燃烧开始后的缸内压的履历来运算。在该发动机1中，爆震强度判别部82基于燃烧开始后的缸内压的履历计算质量燃烧比例，并基于质量燃烧比例来执行判断判别定时的判别时期判断处理(判别时期判断步骤)。

图8示出与图7对应的质量燃烧比例的图表。在例示的燃烧条件下，到燃烧开始的0°CA的附近为止的质量燃烧比例为0％。然后，随着燃烧进行，质量燃烧比例增加，从超过20°CA左右起燃烧结束，质量燃烧比例达到100％。

强爆震燃烧中的从前述的5°CA到13°CA的期间r1，在质量燃烧比例中，与5％～20％的期间对应。此外，强爆震燃烧中的9°CA与质量燃烧比例10％的定时对应。

因此，在该发动机1中，为了预测并抑制强爆震，在质量燃烧比例为5％～20％的期间内设定判别定时。具体地说，在质量燃烧比例10％的定时，判别强爆震的发生的有无。

＜强爆震的抑制＞

如图5所示，在该发动机1中，由爆震强度判别处理101预测出发生强爆震的情况下、也就是在判别定时缸内压超过了基准值SV的情况下，执行抑制强爆震的爆震抑制处理102(爆震抑制步骤)。具体地说，在燃烧结束前向燃烧室17中喷射流体(在该发动机1中是追加的燃料)。

在前述的预测强爆震的处理之后，抑制该强爆震的一系列处理在同一燃烧循环中的1次燃烧期间中执行。在该发动机1中，在压缩上死点的前后的定时开始燃烧，在膨胀冲程的过程中该燃烧结束。在该燃烧开始到结束为止的期间中预测强爆震的发生，并基于该预测追加喷射燃料。

在该发动机1中设置有向燃烧室17中喷射燃料的喷油器6。喷油器6能够以高压且瞬时地喷射燃料。因此，在该发动机1中，如果预测到要发生强爆震，则ECU8进行控制，喷油器6追加喷射燃料。即，爆震抑制处理102由ECU8执行。

向燃烧室17中以高压喷射燃料后，燃烧正在进行的混合气被搅拌。如前述那样，爆震是因为未燃混合气的温度及压力局部变高而发生的。因此，如果在燃烧的过程中搅拌混合气，则混合气整体的温度均质化，所以抑制未燃混合气的局部的温度上升。其结果，抑制了强爆震。如果是燃料，则能够利用既有的喷油器6喷射。还能够得到燃料的气化所带来的冷却作用。

强爆震在燃烧期间中是在经过压缩上死点后发生的。因此，燃料的追加喷射优选为在曲柄角经过压缩上死点(0°CA)后进行。

此外，从图7可知，最早的强爆震在20°CA的定时发生。因此，为了抑制强爆震，需要至少在20°CA之前追加喷射燃料。在喷射后，考虑到该搅拌效果作用于混合气的时间，为了抑制强爆震，优选为至少在18°CA之前(参照图7的箭头Y1)追加喷射燃料。

从图8可知，强爆震燃烧中的18°CA，在质量燃烧比例中相当于50％。因此，燃料的追加喷射优选为在燃烧开始而质量燃烧比例成为50％之前的期间内(参照图8的箭头Y2)进行。

另一方面，为了有效地抑制爆震，希望在爆震即将发生之前进行搅拌。即使在未燃混合气的温度尚未局部地变得很高的状态下搅拌，也不能得到很好的温度抑制效果。如果是未燃混合气的温度局部地变得非常高的状态，则混合气的温度差较大，所以搅拌的温度抑制效果较高。因此，在即将发生爆震之前喷射燃料，能够有效地抑制爆震。

此外，即便将追加喷射燃料的控制信号输出至喷油器6，到喷油器6实际喷射燃料为止也需要一定程度的时间(参照图10)。因此，从判别定时到燃料的追加喷射，需要确保一定程度的时间。

因此，燃料的追加喷射优选为在质量燃烧比例为20％～50％的期间内执行，更优选为在质量燃烧比例为30％～50％的期间内执行。

另外，从爆震抑制的观点来说，在全部燃烧循环中追加喷射燃料也能够抑制强爆震。但是，追加喷射所使用的燃料与发动机1的运转所需的燃料是分开的，所以如果在全部燃烧循环中追加喷射燃料，则油耗变差。此外，这样的燃料的追加喷射会导致煤烟的增加。因此，考虑到油耗和排放性能的提高，不希望在全部燃烧循环中追加喷射燃料。

在该发动机1中，仅在预测到强爆震时追加喷射燃料，所以能够将追加喷射燃料的频度抑制在最小限度，能够有效地抑制强爆震。

此外，为了抑制爆震，追加喷射的燃料越多越好。但是，如果燃料的追加喷射量变多，则相应地煤烟也增加。在同一燃烧循环中，从预测到追加喷射为止进行，所以还有能够喷射燃料的时间较短的制约。因此，考虑到这些问题，追加喷射的燃料的质量优选设定为在追加喷射燃料的燃烧循环中喷射的燃料的总质量(喷射燃料总质量)的10％以下。根据喷油器6，即使是这种程度的喷射量，也能够得到所需的混合气的搅拌效果。在该发动机1中，追加喷射的燃料的质量设定为喷射燃料总质量的5％。

＜强爆震的预测控制及抑制控制的一例＞

图9及图10表示在该发动机1中进行的强爆震的预测控制及抑制控制的一例。

如前述那样，强爆震在发动机在高负荷区域中的、转速较高的区域中运转时有容易发生的倾向。因此，在该发动机1中，如图3中虚线E所示，在从进行SPCCI燃烧的高负荷中转速区域(3)到进行SI燃烧的高转速区域(5)的高负荷侧的区域的规定区域(对象区域)，进行强爆震的预测控制及抑制控制。

也可以在整个运转区域进行，但是像这样仅限于可能发生强爆震的部分对象区域进行强爆震的预测控制及抑制控制，能够有效地抑制强爆震，并且减轻ECU8的处理负担。

因此，ECU8(具体地说是爆震发生预测程序80)在发动机1的运转中基于从曲柄角传感器SW11、油门开度传感器SW12等输入的检测信号，判断发动机1是否在对象区域运转(步骤S1)。然后，判断为发动机1在对象区域运转的情况下，ECU8为了进行强爆震的预测及抑制，连续地输入缸内压传感器SW6的检测信号(步骤S2)。另外，在此，假设发动机在对象区域之中的、图3所示的高转速区域(5)的高负荷侧的区域运转。

爆震信息取得部81根据需要从该检测信号取得缸内压。缸内压可以是从输入的检测信号直接得到的值(所谓的实测值)，也可以是对输入的检测信号进行运算处理而得到的间接的值。

像这样，ECU8判断火花塞25是否已点火(步骤S3)。在对象区域中，通过基于火花塞25的点火而燃烧开始，所以ECU8按照每个燃烧循环检测点火定时。然后，进行了基于火花塞25的点火的情况下，爆震强度判别部82进行基于缸内压传感器SW6的履历来计算通过该点火而开始的燃烧的质量燃烧比例(MBF)的处理(步骤S4)。

如图10所示，在－7°CA的定时点火后，爆震强度判别部82使用从曲柄角传感器SW11输入的检测信号和之后从缸内压传感器SW6输入的检测信号，连续地计算质量燃烧比例。爆震强度判别部82在质量燃烧比例达到10％时(步骤S5：是)，将由爆震信息取得部81取得的缸内压和基准值SV进行比较(步骤S6)。

其结果，爆震强度判别部82在缸内压为基准值SV以上时预测为会发生强爆震(步骤S7)，在缸内压低于基准值SV时预测为不会发生强爆震(步骤S8)。预测为不会发生强爆震的情况下，ECU8将该燃烧循环中的强爆震的预测控制及抑制控制结束，转移到下一燃烧循环的强爆震的预测控制及抑制控制。

与此相对，预测为会发生强爆震的情况下，ECU8进行向喷油器6追加喷射燃料的指示(步骤S9)。由此，向喷油器6输出使喷嘴以与追加喷射的燃料量相应的时间开阀的控制信号。

如图10所示，输出控制信号后到实际喷射燃料为止，发生时间延迟(在该例中是10°CA程度)。ECU8考虑时间延迟地输出控制信号。由此，在即将发生爆震之前追加喷射燃料。

通过燃料的追加喷射而抑制了强爆震的结果，消除爆震或者发生爆震强度小的爆震。

＜验证实验＞

为了验证燃料的追加喷射带来的强爆震的抑制效果，进行了实验。在验证实验中，使用与前述的发动机1类似的发动机(几何学压缩比：17以上)。为了使得运转状态与高负荷区域相同，在吸气冲程中一口气喷射燃料，以4000rpm的转速使发动机运转。在该发动机的运转中，提取预测为会发生同程度的强爆震的2个燃烧循环，在这些燃烧循环中，对燃料的追加喷射的有无所导致的缸内压的变化进行比较。

图11表示其结果。细线所示的图表是没有燃料的追加喷射的燃烧下的缸内压变化(比较例)。粗线所示的图表是有燃料的追加喷射的燃烧下的缸内压变化(实施例)。燃料的追加喷射如图11的上部所示，在即将发生爆震之前进行。从这些图表可知，不进行燃料的追加喷射的情况下，发生强爆震，进行燃料的追加喷射，爆震强度变小，抑制了强爆震。

因此，根据应用了本发明的技术的发动机1，能够高精度地抑制频度较低的强爆震的发生，并且能够有效地抑制强爆震，所以能够提高可靠性。

另外，本发明不限于上述的实施方式，也包括其以外的各种构成。

例如，能够应用本发明的发动机的类型不限于实施方式的发动机1。只要是会发生爆震的发动机，都能够应用本发明。例如，本发明能够应用到一般的火花点火式发动机、或者不进行火花点火的压缩自点火式发动机。

取得强爆震的判别所使用的缸内压的方法不限于利用缸内压传感器SW6检测。例如，也可以从燃烧条件等数据间接地推测缸内压，并将该推定值用于强爆震的判别。强爆震的预测及抑制不限于特定的运转区域，也可以在发动机的整个运转区域进行。

喷射的流体优选为燃料，但是不限于此。例如也可以是水或气体。总之，只要能够通过喷射对燃烧室中形成的混合气进行搅拌即可。

在实施方式的发动机中，例示了在同一燃烧循环中预测爆震的发生的爆震发生预测单元，但是爆震发生预测单元不限于此。例如，在作为预测对象的燃烧循环之前的燃烧循环中出现强爆震的征兆的情况下，也可以基于之前的燃烧循环的燃烧状态来预测强爆震的发生。

Claims (10)

1.一种发动机，具备：

在气缸内划分出的燃烧室，其容积随着升降的活塞而变化；

燃料供给装置，向所述燃烧室中供给含有汽油的燃料；

点火装置，对所述燃烧室中所形成的混合气进行点火；

控制装置，具有预测爆震的发生的爆震发生预测单元；以及

流体喷射装置，向所述燃烧室中喷射流体，

在所述点火装置的点火引起的燃烧开始，由所述爆震发生预测单元在质量燃烧比例达到5％～20％之间的规定值时预测到规定强度以上的强爆震会发生的情况下，在该预测之后，在至少向所述燃烧室供给的燃料的质量燃烧比例不到50％的期间内，所述流体喷射装置以比所述混合气的压力高的压力向所述燃烧室中喷射所述流体。

2.如权利要求1所述的发动机，

从所述质量燃烧比例成为20％时起，所述期间开始。

3.如权利要求2所述的发动机，

所述期间在压缩上死点经过后开始。

4.如权利要求1所述的发动机，

所述流体的喷射压为30Mpa以上。

5.如权利要求1所述的发动机，

所述燃料供给装置包括向所述燃烧室中喷射所述燃料的喷油器，

所述流体喷射装置由所述喷油器构成，并且所述流体由追加喷射的所述燃料构成。

6.如权利要求5所述的发动机，

所述爆震发生预测单元包括：

爆震信息取得部，检测或推定所述燃烧室中的压力；以及

爆震强度判别部，设定有成为用来判别所述强爆震的基准的基准值，

所述爆震信息取得部在燃烧刚开始的燃烧初期的期间内，检测或推定所述燃烧室中的压力，

所述爆震强度判别部，在所述燃烧进行的过程中，将所述压力与所述基准值进行比较，判别所述压力是否超过所述基准值，

在所述压力超过所述基准值的情况下，在燃烧开始而所述质量燃烧比例不到50％的期间内，所述喷油器追加喷射所述燃料。

7.如权利要求6所述的发动机，

追加喷射的所述燃料的质量被设定为在追加喷射该燃料的燃烧循环中喷射的所述燃料的总质量的10％以下。

8.如权利要求1～7中任一项所述的发动机，

几何学压缩比为14以上。

9.如权利要求2所述的发动机，

所述流体的喷射压为30Mpa以上。

10.如权利要求3所述的发动机，

所述流体的喷射压为30Mpa以上。

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