CN110621862B - 直喷发动机的控制装置以及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种对直喷发动机进行控制的方法，该直喷发动机具有：火花塞；以及燃料喷射阀，其设置为能够将燃料直接喷射至缸内，该直喷发动机具有混合气体的空气过剩率设定于2附近的运转区域。在上述规定的运转区域中，在低负荷侧的第1区域内，形成空气过剩率设为2附近的第1规定值的均质混合气体而进行燃烧，另一方面，在相对于第1区域的高负荷侧的第2区域内，形成空气过剩率设为2附近的第2规定值的分层混合气体而进行燃烧。

Description

直喷发动机的控制装置以及控制方法

技术领域

本发明涉及利用空气过剩率为2附近的稀薄混合气体而运转的直喷发动机及其控制方法。

背景技术

为了进一步减轻环境负荷，提高了针对改善内燃发动机的油耗的要求。混合气体的稀薄化是用于改善内燃发动机的油耗的已知的对策。然而，即使在基于稀薄混合气体的燃烧下，发动机的负荷也较高，在燃料供给量较多的运转区域，有时会产生爆燃。作为抑制爆燃的技术，已知使点火时机滞后的技术。

JP2010-116876中公开了如下技术，即，为了抑制高负荷区域的爆燃而使点火时机滞后。具体而言，基于发动机的负荷以及转速等而判定是否处于热负荷较高的高负荷区域，在判定为处于高负荷区域的情况下，使点火时机滞后(第0013段)。

发明内容

然而，如果使点火时机滞后，则热效率下降，油耗变差。

除了使点火时机滞后以外，通过降低压缩比也能够抑制爆燃。然而，如果使压缩比降低，则不仅热效率下降，还因缸内温度降低而导致着火性变差、且使得燃烧变得不稳定。与此相对，使混合气体的空气过剩率或空燃比降低而使得混合气体中的燃料量相对地增加，由此还能够确保着火性，但不仅使得混合气体的稀薄化而产生的改善油耗的效果抵消，结果还导致NOx排出量增加。

本发明的目的在于能够维持较高的热效率、且能够实现混合气体的空气过剩率设为2附近的燃烧。

在本发明的一个方式中，提供一种直喷发动机的控制方法。

本发明的一个方式所涉及的方法是对直喷发动机进行控制的方法，该直喷发动机具有：火花塞；以及燃料喷射阀，其设置为能够将燃料直接喷射至缸内，该直喷发动机具有混合气体的空气过剩率设定为2附近的值的规定的运转区域。在上述规定的运转区域中，在低负荷侧的第1区域内，形成空气过剩率设为2附近的第1规定值的均质混合气体而进行燃烧，另一方面，在相对于第1区域的高负荷侧的第2区域内，形成空气过剩率设为2附近的第2规定值的分层混合气体而进行燃烧。

本发明其他方式提供一种直喷发动机的控制装置。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式所涉及的直喷发动机的结构图。

图2是上述发动机所具有的可变压缩比机构的结构图。

图3是表示上述发动机的运转区域对应图的一个例子的说明图。

图4是表示与运转区域相应的燃料喷射时机以及点火时机的说明图。

图5是表示燃料喷射阀的喷雾束重心线的说明图。

图6是表示喷雾和火花塞的位置关系的说明图。

图7是表示本发明的一个实施方式所涉及的燃烧控制的整个流程的流程图。

图8是表示相对于发动机负荷的空气过剩率、压缩比以及燃料消耗率的变化的一个例子的说明图。

图9是表示压缩比相对于发动机负荷的变化的变更例的说明图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(发动机的整体结构)

图1是本发明的一个实施方式所涉及的直喷发动机(为火花点火发动机，下面称为“发动机”)1的结构图。

发动机1的主体由气缸体1A以及气缸盖1B形成，作为由气缸体1A以及气缸盖1B包围的空间而形成有缸体或气缸。图1仅示出了1个气缸，但发动机1也可以是具有多个气缸的多气缸型的直喷发动机。

活塞2以能够沿气缸中心轴Ax上下往返移动的方式插入于气缸体1A，活塞2经由连杆3而与未图示的曲轴连结。活塞2的往返运动通过连杆3而传递至曲轴，变换为曲轴的旋转运动。在活塞2的顶面21形成有腔室21a，抑制了通过进气端口4a吸入至缸内的空气的顺畅的流动受到活塞顶面21的阻碍。

在气缸盖1B形成有划分出阁楼屋顶式的燃烧室Ch的下表面。作为由气缸盖1B的下表面和活塞顶面21包围的空间而形成有燃烧室Ch。在气缸盖1B，作为将燃烧室Ch和发动机外部连通的通路，在气缸中心轴Ax的一侧形成有一对进气通路4，在另一侧形成有一对排气通路5。而且，在进气通路4的端口部(进气端口)4a设置有进气阀8，在排气通路5的端口部(排气端口)5a设置有排气阀9。从发动机外部取入至进气通路4的空气在进气阀8打开的期间吸入至缸内，燃烧后的排气在排气阀9打开的期间排出至排气通路5。在进气通路4设置有未图示的节流阀，利用节流阀对向缸内吸入的空气的流量进行控制。

在气缸盖1B、进而在进气端口4a以及排气端口5a之间，火花塞6设置于气缸中心轴Ax上，燃料喷射阀7在气缸中心轴Ax的一侧设置于一对进气端口4a、4a之间。燃料喷射阀7构成为，能够从未图示的高压燃料泵接受燃料的供给，能够直接将燃料喷射至缸内。燃料喷射阀7是多孔型的燃料喷射阀，以向相对于气缸中心轴Ax倾斜地交叉的方向喷射燃料的方式，换言之，以使得后述的喷雾束重心线AF和气缸中心轴Ax成锐角地交叉的方式，配置于气缸中心轴Ax的进气端口4a侧。在本实施方式中，燃料喷射阀7设置于由火花塞6和进气端口4a、4a包围的位置。并不局限于这种配置，燃料喷射阀7也可以相对于进气端口4a而设置于火花塞6的相反侧。

在进气通路4设置有翻滚控制阀10，利用翻滚控制阀10使得进气通路4的开口面积实质上减小，缸内的空气的流动得到强化。在本实施方式中，作为空气的流动，通过进气端口4a而吸入至缸内的空气形成相对于气缸中心轴Ax朝向进气端口4a的相反侧的翻滚流，换言之，形成在排气端口5a侧的缸内空间沿从气缸盖1B的下表面朝向活塞顶面21的方向而通过的翻滚流，利用翻滚控制阀10对该翻滚流进行强化。对于缸内流动的强化，并不局限于设置翻滚控制阀10，通过对进气通路4的形状进行变更也能够实现。例如，只要使得进气通路4形成为更接近直立的状态而形成为空气相对于气缸中心轴Ax以更平缓的角度流入缸内的形状，或者使得进气通路4的中心轴形成为更接近直线的状态而形成为使得空气以更强的势头流入缸内的形状即可。

排气净化装置(未图示)夹装于排气通路5。在本实施方式中，具有氧化功能的催化剂内置于排气净化装置，排出至排气通路5的燃烧后的排气在利用排气中残留的氧气对烃(HC)进行净化之后向大气中释放。如后所述，在本实施方式中，在发动机1的整个运转区域将混合气体的空气过剩率λ设为2附近的值而进行燃烧，但在空气过剩率λ高于理论空燃比当量值的稀薄侧的区域，一氧化碳(CO)以及氮氧化物(NOx)的排出量减少，另一方面，处于HC维持恒定的排出量的趋势。通过增大空气过剩率λ、且设为大幅高于理论值的空燃比的运转，能够抑制NOx的排出本身，并且能够抑制HC向大气中的释放。

(可变压缩比机构的结构)

图2是发动机1所具有的可变压缩比机构的结构图。

在本实施方式中，利用可变压缩比机构使活塞2的上止点位置变化，以机械方式对发动机1的压缩比进行变更。

可变压缩比机构经由上连杆31(连杆3)以及下连杆32而将活塞2和曲轴15连结，利用控制连杆33对下连杆32的姿态进行调整，由此对压缩比进行变更。

上连杆31在上端利用活塞销34与活塞2连接。

下连杆32在中央具有连结孔，曲轴15的曲柄销15a插入于该连结孔，由此以曲柄销15a为中心而摆动自由地与曲轴15连接。下连杆32在一端利用连结销35而与上连杆31的下端连接，在另一端利用连结销36而与控制连杆33的上端连接。

曲轴15具有曲柄销15a、曲轴轴颈15b以及平衡配重件15c，相对于发动机主体而被曲轴轴颈15b支撑。曲柄销15a设置于相对于曲轴轴颈15b而偏心的位置。

控制连杆33在上端利用连结销36而与下连杆32连接，在下端利用连结销37而与控制轴38连接。控制轴38配置为与曲轴15平行，在相对于中心而偏心的位置设置有连结销37。控制轴38在外周形成有齿轮。控制轴38的齿轮与由致动器39驱动的小齿轮40卡合，利用致动器39使小齿轮40旋转，从而能够使控制轴38旋转，通过连结销37的移动而变更下连杆32的姿态。

具体而言，以使得连结销37的位置相对于控制轴38的中心相对降低的方式使控制轴38旋转，由此能够以使得连结销35的位置相对于曲柄销15a的中心相对升高的方式，变更下连杆32的姿态或斜度(在图2所示的状态下，使下连杆32向右旋转)，能够以机械方式增大发动机1的压缩比。另一方面，以使得连结销37的位置相对于控制轴38的中心相对升高的方式使控制轴38旋转，由此能够以使得连结销35的位置相对于曲柄销15a的中心相对降低的方式，变更下连杆32的姿态或斜度(在图2所示的状态下，使下连杆32向左旋转)，能够以机械方式使发动机1的压缩比降低。

在本实施方式中，利用可变压缩比机构使压缩比相对于发动机负荷的增大而降低。

(控制系统的结构)

利用发动机控制器101对发动机1的运转进行控制。

在本实施方式中，发动机控制器101构成为电子控制单元，由具有中央运算装置、ROM以及RAM等各种存储装置、输入输出接口等的微机构成。

除了向发动机控制器101输入加速传感器201、旋转速度传感器202以及冷却水温度传感器203的检测信号以外，还输入未图示的空气流量计以及空燃比传感器等的检测信号。

加速传感器201将与由运转者对加速器踏板的操作量相应的信号输出。加速器踏板的操作量是对发动机1请求的负荷的指标。

旋转速度传感器202将与发动机1的旋转速度相应的信号输出。作为旋转速度传感器202，可以采用曲轴转角传感器，通过将由曲轴转角传感器输出的单位曲轴转角信号或基准曲轴转角信号换算为每单位时间的转速(发动机转速)而能够检测出旋转速度。

冷却水温度传感器203将与发动机冷却水的温度相应的信号输出。可以代替发动机冷却水的温度而采用发动机润滑油的温度。

发动机控制器101针对发动机1的负荷、旋转速度以及冷却水温度等的运转状态，而对分配了燃料喷射量等、发动机1的各种运转控制参数的对应图数据进行存储，在发动机1的实际运转时，对发动机1的运转状态进行检测，以此为基础并参照对应图数据而设定燃料喷射量、燃料喷射时机、点火时机以及压缩比等，将指令信号输出至火花塞6以及燃料喷射阀7的驱动电路，并且将指令信号输出至可变压缩比机构的致动器39。

(燃烧控制的概要)

在本实施方式中，将混合气体的空气过剩率λ设为2附近的值而使发动机1运转。“空气过剩率”是指利用理论空燃比除空燃比得到的值，空气过剩率处于“2附近”时包含2及其附近的空气过剩率，在本实施方式中，换算为空燃比则处于28～32的范围的空气过剩率，优选采用换算为空燃比为30的空气过剩率。“混合气体的空气过剩率”是指整个缸内的空气过剩率，具体而言，称为以针对发动机1而在每一个燃烧周期供给的燃料的燃烧在理论上所需的最小空气量(质量)为基准，由该最小空气量除实际供给的空气量得到的值。

图3表示本实施方式所涉及的发动机1的运转区域对应图。

在本实施方式中，不论发动机负荷如何，在使发动机1实际运转的整个区域都将混合气体的空气过剩率λ设定于2附近。将空气过剩率λ设为2附近的值而运转的区域并不局限于发动机1的整个运转区域，也可以是一部分运转区域。例如，在整个运转区域中的低负荷区域以及中负荷区域将空气过剩率λ设为2附近的值，在高负荷区域，可以对空气过剩率λ进行切换而设定为理论空燃比当值(＝1)。

在本实施方式中，在将空气过剩率λ设定为2附近的值的运转区域中的、发动机1的整个运转区域内的发动机负荷小于或等于规定值的第1区域Rl内，将空气过剩率λ设定为2附近的第1规定值λ1，形成使燃料向整个缸内扩散得到的均质混合气体而进行燃烧。另一方面，在发动机负荷高于规定值的第2区域Rh内，将空气过剩率λ设定为2附近的第2规定值λ2，使燃料浓厚的混合气体(第1混合气体)偏向火花塞6附近，在其周围形成使燃料比第1混合气体稀薄的混合气体(第2混合气体)分散得到的分层混合气体而进行燃烧。

为了形成分层混合气体，在本实施方式中，在一个燃烧周期中分多次喷射空气过剩率设为第2规定值(λ＝λ2)的燃料。在进气行程至压缩行程的前半段的第1时机喷射每一个燃烧周期的燃料的一部分，在曲轴转角与第1时机相比而滞后的时机、具体而言在压缩行程后半段即将到达火花塞6的点火时机之前的第2时机喷射剩余燃料的至少一部分。在本实施方式中，将点火时机设定于压缩行程中，因此第2时机也成为压缩行程中的时机。

图4表示与运转区域相应的燃料喷射时机IT以及点火时机Ig。

在利用均质混合气体进行燃烧的第1区域Rl(低负荷区域)内，通过在进气行程中进行的1次喷射动作而供给每一个燃烧周期的燃料。发动机控制器101设定进气行程中的燃料喷射时机ITl，从燃料喷射时机ITl起将在与燃料喷射量相应的期间持续的喷射脉冲输出至燃料喷射阀7。利用喷射脉冲对燃料喷射阀7进行打开驱动而喷射燃料。在第1区域Rl内，点火时机Igl设定于压缩行程中。

与此相对，在利用分层混合气体而进行燃烧的第2区域Rh(高负荷区域)内，分为进气行程和压缩行程的2次而喷射每一个燃烧周期的燃料。通过第1次的喷射动作而喷射整个燃料喷射量的约90％的燃料，通过第2次的喷射动作而喷射剩余的10％的燃料。作为燃料喷射时机，发动机控制器101设定进气行程中的第1时机ITh1、以及压缩行程中的第2时机ITh2，将在与各次的燃料喷射量相应的期间持续的喷射脉冲输出至燃料喷射阀7。利用喷射脉冲对燃料喷射阀7进行打开驱动而分别在第1时机ITh1以及第2时机ITh2喷射燃料。在第2区域Rh内也在压缩行程中设定点火时机Igh，但将其设定为与第1区域Rl的点火时机Igl相比而滞后。

可以考虑发动机1的热效率而分别适当地设定在低负荷侧的第1区域Rl内设定的空气过剩率λ(第1规定值λ1)、以及在高负荷侧的第2区域Rh内设定的空气过剩率λ(第2规定值λ2)。第1规定值λ1和第2规定值λ2可以是互不相同的值，但也可以是相等的值。在本实施方式中，设为相等的值(λ1＝λ2)。

(燃料喷雾的说明)

图5示出了燃料喷射阀7的喷雾束重心线AF。

如此前叙述，燃料喷射阀7是多孔型的燃料喷射阀，在本实施方式中，具有6个喷孔。喷雾束重心线AF定义为将燃料喷射阀7的前端和喷雾束中心CB连结的直线，燃料喷射阀7的喷射方向确定为沿着喷雾束重心线AF的方向。“喷雾束中心”CB是指利用从各喷孔喷射的燃料而形成为喷雾束B1～B6的、从喷射起经过了恒定时间的时刻的各喷雾束B1～B6的前端连结而成的虚拟圆的中心。

图6示出了喷雾(喷雾束B1～B6)和火花塞6的前端(塞间隙G)的位置关系。

在本实施方式中，使喷雾束重心线AF相对于燃料喷射阀7的中心轴而倾斜，与气缸中心轴Ax和燃料喷射阀7的中心轴所成的角度相比而扩大气缸中心轴Ax和喷雾束重心线AF所成的角度。由此，能够使喷雾接近火花塞6、且使得喷雾束(例如喷雾束B4)从塞间隙G附近通过的方式设定方向。

这样，通过使喷雾束从塞间隙G附近通过，在高负荷侧的第2区域Rh内，能够利用在即将到达点火时机Igh之前喷射的燃料的喷雾所具有的动能，使火花塞6附近的混合气体产生流动，即使在翻滚流动衰减或破坏之后也能够使点火的火花塞放电通道充分伸长，能够确保点火性。“火花塞放电通道”是指点火时在塞间隙G产生的电弧。

(基于流程图的说明)

图7利用流程图而示出了本实施方式所涉及的燃烧控制的整个流程。

图8示出了相对于发动机负荷的空气过剩率λ、压缩比CR以及燃料消耗率ISFC的变化。

适当地参照图8并利用图7对本实施方式所涉及的燃烧控制进行说明。发动机控制器101以每隔规定时间执行图7所示的控制流程的方式进行编程。

在本实施方式中，在此前叙述的均质混合气体和分层混合气体的切换的基础上，利用可变压缩比机构与运转区域Rl、Rh相应地对发动机1的压缩比CRl、CRh进行变更。

在S101中，作为发动机1的运转状态，读入加速器开度APO、发动机转速Ne以及冷却水温度Tw等。基于加速传感器201、转速传感器202以及冷却水温度传感器203等的检测信号并通过另外执行的运转状态运算流程而计算出加速器开度APO等的运转状态。

在S102中，基于读入的运转状态而判定发动机1的运转区域是否为低负荷侧的第1区域Rl。具体而言，在加速器开度APO小于或等于针对每个发动机转速Ne而规定的规定值的情况下，判定为运转区域是第1区域Rl，进入S103，按照S103～S105的顺序通过均质燃烧而使发动机1运转。另一方面，在加速器开度APO高于上述每个发动机转速Ne的规定值的情况下，判定为运转区域是高负荷侧的第2区域Rh，进入S106，按照S106～S108的顺序通过弱分层燃烧而使发动机1运转。

在S103中，设定第1区域Rl用的压缩比CRl。在第1区域Rl内，在不会产生爆燃的范围内将压缩比CRl设定为尽量大的值。在本实施方式中，如图8所示，预先设定具有相对于发动机负荷的增大而降低的趋势的目标压缩比，基于目标压缩比对可变压缩比机构进行控制，从而发动机负荷越高时使得压缩比CRl越降低。然而，并不局限于此，可以在发动机1设置爆燃传感器，在基于设定为恒定值的目标压缩比而检测爆燃的产生状况的情况下，可以利用可变压缩比机构使压缩比CRl降低而抑制爆燃。

在S104中，设定第1区域Rl用的燃料喷射量FQl以及燃料喷射时机ITl。具体而言，基于发动机1的负荷以及转速等而设定燃料喷射量FQl，并且设定燃料喷射时机ITl。例如以下述方式设定燃料喷射量FQl等。

基于加速器开度APO以及发动机旋转速度Ne对基本燃料喷射量FQbase进行计算，对其实施与冷却水温度Tw等相应的校正，由此计算出每一个燃烧周期的燃料喷射量FQ。而且，将计算出的燃料喷射量FQ(＝FQl)代入下式而换算为喷射期间或者喷射脉冲宽度Δt，并且计算出燃料喷射时机IT1。能够对通过实验等适当地预先规定的对应图进行检索而进行基本燃料喷射量FQbase以及燃料喷射时机ITl的计算。

FQ＝ρ×A×Cd×√{(Pf-Pa)/ρ}×Δt…(1)

在上式(1)中，燃料喷射量设为FQ，燃料密度设为ρ，喷射喷嘴总面积设为A，喷嘴流量系数设为Cd，燃料喷射压力或燃料压力设为Pf，缸内压力设为Pa。

在S105中，设定第1区域R1用的点火时机Igl。在第1区域Rl内，设定压缩行程中的点火时机Igl。具体而言，点火时机Igl设定为MBT(最佳点火时机)或者其附近的时机。

在S106中，设定第2区域Rh用的压缩比CRh。在第2区域Rh内，将压缩比CRh设定为低于第1区域Rl的压缩比。而且，与第1区域Rl相同地，预先设定具有相对于发动机负荷的增大而降低的趋势的目标压缩比，基于目标压缩比对可变压缩比机构进行控制而使得压缩比CRh降低，但在具有爆燃传感器的情况下，可以在基于设定为恒定值(低于第1区域Rl内设定的值)的目标压缩比而检测出爆燃的产生的情况下，利用可变压缩比机构使压缩比CRh降低而抑制爆燃。

这里，在本实施方式中，将第2区域Rh用的压缩比CRh设定为比基于相同的运转状态(发动机负荷)并利用均质混合气体进行燃烧的情况下能够抑制爆燃的压缩比高的压缩比。图8利用双点划线示出了基于均质混合气体的情况下能够抑制爆燃的压缩比。这样，在本实施方式中，第2区域Rh用的压缩比CRh是比由双点划线示出的基于均质混合气体的情况下的压缩比高出恒定值的压缩比。关于第2区域Rh，“将压缩比CRh设定为低于第1区域Rl的压缩比”，是指作为通过整个发动机负荷体现出的整体趋势而“低于第1区域Rl”。

并且，图8示出了空气过剩率λ的变化。在本实施方式中，相对于发动机负荷的增大，空气过剩率λ在第1区域Rl内从λ＝2减小，在从第1区域Rl向第2区域Rh转移时，在增大至略大于2的值之后，在第2区域Rh内趋向λ＝2而减小。空气过剩率λ相对于发动机负荷的增大而示出的这种动作，并不符合对空气过剩率λ本身进行变更的积极的设计意图。在第1区域Rl内空气过剩率λ减小的原因在于，用于相对于以抑制爆燃为目的的压缩比CRl的降低而确保点火性的调整，换言之为不使基于混合气体的稀薄化的效果受损的范围内的燃料的增量校正。而且，从第1区域Rl向第2区域Rh转移时的空气过剩率λ的增大是基于下述方式进行的调整，即，能够通过混合气体的分层化而提高点火性并基于较高的空气过剩率λ实现燃烧。

在S107中，设定第2区域Rh用的燃料喷射量FQh1、FQh2以及燃料喷射时机ITh1、ITh2。具体而言，与第1区域Rl相同地，对与发动机1的运转状态相应的基本燃料喷射量FQbase进行计算，并对其实施与冷却水温度Tw等相应的校正，由此计算出每一个燃烧周期的燃料喷射量FQ。而且，将计算出的燃料喷射量FQ中的规定比例(例如90％)的部分设定为进气行程中的燃料喷射量FQh1，将剩余部分设定为压缩行程中的燃料喷射量FQh2。并且，将燃料喷射量FQh1、FQh2分别代入上式(1)而换算为喷射期间或者喷射脉冲宽度Δt1、Δt2，计算出进气行程中的燃料喷射时机ITh1以及压缩行程中的燃料喷射时机ITh2。对于燃料喷射量FQh1、FQh2的分配以及燃料喷射时机ITh1、ITh2的计算，也能够与基本燃料喷射量FQbase同样地，对通过实验等适当地预先规定的对应图进行检索而进行。

在S108中，设定第2区域Rh用的点火时机Igh。在第2区域Rh内，以在燃料喷射时机ITh2喷射的燃料为火种而在整个缸内产生燃烧，以能够在略微超过压缩上止点的时机迎来所产生的热的峰值的方式，设定点火时机Igh以及从燃料喷射时机ITh2至点火时机Igh的间隔。具体而言，点火时机Igh设定为与第1区域Rl内的点火时机Igl相比而滞后的压缩行程中的时机，在本实施方式中，如图4所示，设定为即将到达压缩上止点之前。

在本实施方式中，由发动机控制器101构成“控制器”，由火花塞6、燃料喷射阀7以及发动机控制器101构成“直喷发动机的控制装置”。而且，通过图7所示的流程图中的S101的处理而实现“运转状态检测部”的功能，通过S104以及S107的处理而实现“燃料喷射控制部”的功能，通过S105以及S108的处理而实现“点火控制部”的功能。

以上为本实施方式所涉及的燃烧控制的内容，下面对通过本实施方式获得的效果进行总结。

(作用效果的说明)

第1，在本实施方式中，将混合气体的空气过剩率λ设定于2附近，由此能够实现热效率较高的燃烧、且削减油耗。而且，在发动机1的运转区域之中，在低负荷侧的第1区域R1内，形成空气过剩率λ达到2附近的均质混合气体而进行燃烧，另一方面，在高负荷侧的第2区域Rh内，对燃烧方式进行切换，形成空气过剩率λ达到2附近的分层混合气体而进行燃烧，由此燃烧速度(火焰传播速度)与基于均质混合气体的燃烧相比而提高，改善了燃烧的耐爆燃性，因此能够不依赖于点火时机的滞后而抑制爆燃。即，根据本实施方式，特别是通过高负荷区域的热效率的改善而能够在整个运转区域实现较高的热效率。并且，将空气过剩率λ换算为空燃比而设为28～32、特别是30左右的值，由此能够在改善热效率的基础上形成适当的混合气体。

第2，在高负荷侧的第2区域Rh内，针对发动机1在进气行程喷射需要在每一个燃烧周期供给的燃料的一部分，在即将到达火花塞6的点火时机Igh之前喷射剩余燃料的至少一部分，由此能够以偏向火花塞6附近的燃料或第2混合气体为火种而维持良好的着火性，即使是稀薄混合气体也能够实现稳定的燃烧。这里，利用即将到达点火时机Igh之前喷射的燃料的喷雾所具有的动能，使火花塞6附近的混合气体产生流动，在残留有紊流的期间进行点火，由此能够使得火花塞放电通道伸长，并且有助于形成初期火焰而能够实现燃烧的进一步的稳定化。

第3，将火花塞6设置于进气端口4a与排气端口5a之间，将燃料喷射阀7设置于由火花塞6和进气端口4a、4a包围的位置，换言之，将燃料喷射阀7配置为比进气端口4a更接近火花塞6，由此能够良好地形成第2混合气体。

第4，能够对发动机1的压缩比CR进行变更，通过与低负荷侧的第1区域Rl相比而在高负荷侧的第2区域Rh内使压缩比CR(＝CRh)降低，能够更可靠地抑制爆燃。

这里，如果使得压缩比CR降低，则不仅热效率会下降，点火性也因缸内温度降低而变差，燃烧变得不稳定。与此相对，通过降低混合气体的空气过剩率λ、且相对地增加混合气体中的燃料的量，还能够确保点火性。然而，在该情况下，不仅会使得因混合气体的稀薄化而实现的改善油耗的效果抵消，NOx排出量还有可能增加。

在本实施方式中，通过在第2区域Rh形成分层混合气体进行燃烧而提高燃烧的耐爆燃性，因此与基于均质混合气体的情况相比，能够以较高的压缩比抑制爆燃，能够削减燃料消耗率。图8示出了对于第2区域Rh通过利用分层混合气体进行燃烧而与基于均质混合气体的情况相比能够削减燃料消耗率ISFC的情况(基于均质混合气体的情况下的燃料消耗率由双点划线示出)。而且，通过混合气体的分层化不会使空气过剩率λ降低而能够确保点火性，因此能够维持较高的热效率。

在本实施方式中，如图8所示，相对于发动机负荷的增大，在从第1区域Rl向第2区域Rh转移时使压缩比CR以阶梯状而增大(不过，在实际的运转中，可变压缩比机构的动作存在与致动器39以及连杆机构31、32、33等的特性相应的滞后)。第2区域Rh用的压缩比CRh并不局限于这种设定，可以相对于发动机负荷的增大而使其连续地变化。还取决于可变压缩比机构的动作的滞后，但例如图9所示，在第2区域Rh内，使压缩比CRh以如下方式变化，即，相对于发动机负荷的增大，与基于均质混合气体的情况下能够抑制爆燃的压缩比(由双点划线所示)之间的差值增大。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分而已，其主旨并非将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。对于上述实施方式，可以在权利要求书记载的事项的范围内实施各种变更以及修改。

Claims (9)

1.一种直喷发动机的控制方法，该直喷发动机具有：

火花塞；以及

燃料喷射阀，其设置为能够将燃料直接喷射至缸内，

该直喷发动机具有混合气体的空气过剩率设定于2附近的运转区域，在所述运转区域中进行基于所述火花塞的火花点火燃烧，其中，

在所述运转区域中，在低负荷侧的第1区域内，形成空气过剩率设为2附近的第1规定值的均质混合气体而进行火花点火燃烧，

另一方面，在所述运转区域中，在相对于所述第1区域为高负荷侧的第2区域内，形成空气过剩率设为2附近的第2规定值的分层混合气体而进行火花点火燃烧。

2.根据权利要求1所述的直喷发动机的控制方法，其中，

所述第1规定值和所述第2规定值相等。

3.根据权利要求2所述的直喷发动机的控制方法，其中，

所述第1规定值以及所述第2规定值换算为空燃比则为28～32。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的直喷发动机的控制方法，其中，

在所述第2区域内，在第1时机喷射混合气体的空气过剩率设为所述第2规定值的燃料的一部分，在所述第1时机之后的第2时机喷射所述燃料的剩余的至少一部分，使燃料浓厚的第1混合气体偏向所述火花塞附近，使燃料比所述第1混合气体稀薄的第2混合气体分散至所述火花塞周围，形成所述分层混合气体。

5.根据权利要求4所述的直喷发动机的控制方法，其中，

将所述第1时机设定于进气行程至压缩行程前半段，将所述第2时机设定于即将到达所述火花塞的点火时机之前。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的直喷发动机的控制方法，其中，

所述火花塞配置于进气端口与排气端口之间，

所述燃料喷射阀配置于所述进气端口与所述火花塞之间，

所述燃料喷射阀的喷射方向设定为使得喷雾的至少一部分从所述火花塞的火花塞间隙附近通过。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的直喷发动机的控制方法，其中，

发动机的压缩比构成为能够变更，

在所述第2区域内，与所述第1区域相比，设定为更低的压缩比。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的直喷发动机的控制方法，其中，

在所述第2区域内，设定为比在基于相同的运转状态形成均质混合气体而进行燃烧的情况下，能够抑制爆燃的压缩比高的压缩比。

9.一种直喷发动机的控制装置，其中，具有：

火花塞；

燃料喷射阀，其设置为能够将燃料直接喷射至缸内；以及

控制器，其对所述火花塞以及所述燃料喷射阀的动作进行控制，

该直喷发动机具有混合气体的空气过剩率设定于2附近的运转区域，在所述运转区域中进行基于所述火花塞的火花点火燃烧，其中，

所述控制器具有：

运转状态检测部，其对发动机的运转状态进行检测；

燃料喷射控制部，其基于所述发动机的运转状态而设定所述燃料喷射阀的喷射量以及喷射时机；以及

点火控制部，其设定所述火花塞的点火时机，

所述燃料喷射控制部，

在所述发动机的运转状态处于所述运转区域中低负荷侧的第1区域的情况下，设定形成混合气体的空气过剩率为2附近的第1规定值的均质混合气体的喷射量以及喷射时机，

在所述发动机的运转状态处于所述运转区域中相对于所述第1区域为高负荷侧的第2区域的情况下，设定形成混合气体的空气过剩率为2附近的第2规定值的分层混合气体的喷射量以及喷射时机。

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