CN110662893A - 压燃式发动机及压燃式发动机的控制方法 - Google Patents

压燃式发动机及压燃式发动机的控制方法 Download PDF

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Abstract

压燃式发动机包括发动机机体(柴油发动机(1))、第一燃料供给部(石脑油用喷油器(19))、第二燃料供给部(柴油燃料用喷油器(18))以及控制部(PCM(10))，该第二燃料供给部供给第二燃料，该第二燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比第一燃料低，且该第二燃料比第一燃料难以气化，该控制部(PCM(10))分别向第一、第二燃料供给部输出信号。控制部向第一燃料供给部输出信号，以使所供给的第一燃料的重量比所供给的第二燃料的重量大，然后，控制部向第二燃料供给部输出信号，以使第二燃料供往燃烧室。所形成的混合气被压缩而自动着火。

Description

压燃式发动机及压燃式发动机的控制方法
技术领域
此处所公开的技术涉及一种压燃式发动机及压燃式发动机的控制方法。
背景技术
专利文献1中记载了一种柴油发动机。该柴油发动机的目的在于省略高成本的选择性还原催化剂系统，其包括使用三效催化剂的尾气净化系统。为了使用三效催化剂净化尾气，该柴油发动机对向燃烧室内喷射柴油燃料的喷射孔的大小和喷射压力进行调节。这样一来，使柴油燃料在整个燃烧室内扩散开而形成具有理论空燃比的混合气，并利用压燃使该混合气燃烧。
专利文献2中记载了一种柴油发动机，将作为二次燃料的汽油通过气化器引入进气通路，并向燃烧室内喷射柴油燃料。专利文献2中记载有下述内容：使柴油燃料与汽油的比率满足柴油燃料占总燃料量的50％以上这一条件。
专利文献3中记载了一种柴油发动机，将气化的石脑油通过进气通路供往燃烧室内，并向燃烧室内喷射液体石脑油。专利文献3中记载有下述内容：使通过进气通路供往燃烧室内的石脑油的量不超过总燃料量的50％。
专利文献1：日本专利第5620715号公报
专利文献2：英国专利第714672号说明书
专利文献3：英国专利第821725号说明书
发明内容
－发明要解决的技术问题－
专利文献1中记载的柴油发动机通过使柴油燃料在整个燃烧室内扩散开，来形成具有理论空燃比的混合气并使其燃烧。然而，因为柴油燃料难以气化，所以专利文献1中记载的柴油发动机存在下述问题：在燃烧室内出现燃料浓度局部变大的部分。如果燃料浓度局部变大，则在燃烧室内会产生碳烟微粒和一氧化碳(CO)。
此处所公开的技术正是为解决上述技术问题而完成的，其目的在于：提供一种压燃式发动机，其能够抑制碳烟微粒和CO的产生。
－用以解决技术问题的技术方案－
具体而言，此处所公开的技术涉及一种压燃式发动机。该压燃式发动机的特征在于：包括发动机机体、第一燃料供给部、第二燃料供给部以及控制部，所述发动机机体具有燃烧室，所述第一燃料供给部构成为向所述燃烧室供给第一燃料，所述第二燃料供给部构成为向所述燃烧室供给第二燃料，所述第二燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比所述第一燃料低，且所述第二燃料比所述第一燃料难以气化，所述控制部构成为分别向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使供往所述燃烧室的所述第一燃料的重量比供往所述燃烧室的所述第二燃料的重量大，然后，所述控制部向所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第二燃料供往所述燃烧室，所述控制部通过向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，来在所述燃烧室内形成混合气，该混合气被压缩而自动着火。
根据该构成方式，压燃式发动机包括第一燃料供给部和第二燃料供给部。第一燃料和第二燃料这两种燃料供往燃烧室。第一燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比第二燃料高，且第一燃料比第二燃料容易气化。第二燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比第一燃料低，且第二燃料比第一燃料难以气化。
供往燃烧室的第一燃料的重量比供往燃烧室的第二燃料的重量大。容易气化的第一燃料主要有助于压燃式发动机生成扭矩。容易实现压燃的第二燃料主要有助于让混合气着火。
第一燃料供给部通过接收来自控制部的信号，而在相对较早的时刻向燃烧室供给第一燃料。如果使供给时刻较早，则从第一燃料供给到燃烧室起到混合气着火和燃烧为止的时间较长，因此容易气化的第一燃料会形成均质混合气。这样一来，能够抑制在燃烧时碳烟微粒和CO的产生。压燃式发动机的排放性能得到提高。
第二燃料供给部通过接收来自控制部的信号，而在相对较晚的时刻向燃烧室供给第二燃料。第二燃料用于让混合气着火，能够通过调节第二燃料的供给时刻，来调节混合气的压燃时刻以及燃烧时刻。调节向燃烧室供给第二燃料的供给时刻，以便混合气被压缩而在适当的时刻自动着火并燃烧，这样一来，压燃式发动机的热效率得到提高。
因此，上述的构成方式的压燃式发动机能够抑制碳烟微粒和CO的产生，并能够实现扭矩的提高和省油性能的提高。
也可以是：所述第一燃料是沸点比所述第二燃料低的燃料。
这样一来，第一燃料会在燃烧室内的压力和温度较低的条件下气化，因此能够从燃烧室内的压力较低的进气冲程开始供给燃料。因为能够使燃料供给时刻较早且气化性能较高，所以即使让第一燃料的燃料供给量较多，也能够形成均质混合气。其结果是，能够抑制碳烟微粒和CO的产生，并能够实现扭矩的提高和省油性能的提高。
也可以是：所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使供往所述燃烧室的所述第二燃料的重量占供往所述燃烧室的全部燃料的重量的10％以下。
这样一来，能够将第二燃料用于混合气的压燃，且能够通过调节第二燃料的供给时刻，来调节压燃时刻以及燃烧时刻。
也可以是：在所述第一燃料中包含石脑油，在所述第二燃料中包含柴油燃料。因为石脑油与柴油燃料相比容易气化，所以有利于在燃烧室内形成均质混合气。因为柴油燃料与石脑油相比容易着火，所以混合气能够被压缩而在适当的时刻自动着火。并且，因为石脑油较廉价，所以使用石脑油经济性优良。
也可以是：在所述第一燃料中包含汽油，在所述第二燃料中包含柴油燃料。与上述一样，能够在燃烧室内形成均质混合气，并能够压缩混合气而在适当的时刻自动着火。
也可以是：所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料和所述第二燃料供往所述燃烧室并燃烧而保证从所述燃烧室排出的尾气的空燃比在14.5～15.0的范围内。
此外，也可以是：所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料和所述第二燃料供往所述燃烧室而保证所述燃烧室内的混合气的空燃比在14.5～15.0的范围内。
需要说明的是，燃烧室内的混合气的空燃比是供往燃烧室的燃料的总重量与填充到燃烧室的空气的重量的比率。
这样一来，能够使尾气的空燃比在14.5～15.0的范围内。并且，现有的柴油发动机是在使混合气的空燃比比理论空燃比大(贫燃料)的情况下运转，与现有的柴油发动机相比，通过使混合气的空燃比为大致理论空燃比，扭矩得以提高。
也可以是：在所述发动机机体的排气通路上设置有三效催化剂，所述三效催化剂构成为净化从所述燃烧室排出的尾气，所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料和所述第二燃料供往所述燃烧室并燃烧而保证下述尾气的空燃比为理论空燃比，该尾气为所述排气通路上的所述三效催化剂的上游的尾气。
如果使尾气的空燃比为理论空燃比，就能够利用三效催化剂净化尾气中的CO、HC以及NOx。压燃式发动机的排放性能进一步得到提高。需要说明的是，14.5～15.0这一空燃比范围相当于三效催化剂的净化窗口(window)，如果使空燃比为理论空燃比，三效催化剂的净化将更可靠。
需要说明的是，在现有的柴油发动机中，需要提高增压能力而使燃烧时的空燃比较大，来实现碳烟微粒、CO、NOx的减少，但在本构成方式下，通过供给第一燃料，能够使尾气的空燃比为理论空燃比，通过搭配使用三效催化剂，不用像现有的柴油发动机那样依赖增压，就能够实现碳烟微粒、CO的减少以及NOx的减少。因此，还能够提供一种无需安装增压器的廉价发动机。
也可以是：所述第一燃料供给部设置在向所述发动机机体的进气道喷射所述第一燃料的位置处，所述第二燃料供给部设置在向所述燃烧室内喷射所述第二燃料的位置处。
如果向进气道喷射第一燃料，第一燃料就会因进气流动而在燃烧室内扩散，因此能够形成均质混合气。这有利于抑制碳烟微粒产生和CO的产生。
因为第二燃料供给部向燃烧室内喷射第二燃料，所以能够在压缩上止点前的适当的时刻，向燃烧室内供给第二燃料。混合气被压缩而在适当的时刻自动着火并燃烧。
也可以是：所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料在进气冲程期间供往所述燃烧室，所述控制部向所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第二燃料在进气冲程后的压缩冲程期间供往所述燃烧室。
也可以是：所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料在进气冲程期间被向所述进气道喷射，所述控制部向所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第二燃料在进气冲程后的压缩冲程期间被向所述燃烧室喷射。
在此处公开的压燃式发动机的控制方法中，控制部向第一燃料供给部输出信号，以使第一燃料供往发动机的燃烧室，所述控制部向第二燃料供给部输出信号，以使第二燃料在所述第一燃料供给结束之后供往所述燃烧室，所述第二燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比所述第一燃料低，且所述第二燃料比所述第一燃料难以气化，将所述第二燃料供给到所述燃烧室之后，在所述燃烧室内形成的混合气被压缩而自动着火，所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使供往所述燃烧室的所述第一燃料的重量比供往所述燃烧室的所述第二燃料的重量大。
这样一来，能够抑制碳烟微粒和CO的产生，因此压燃式发动机的排放性能得到提高。并且，通过供给第二燃料，就能够压缩混合气而在适当的时刻自动着火并燃烧，因此能够实现压燃式发动机的扭矩的提高以及省油性能的提高。
－发明的效果－
正如以上说明的那样，根据上述的压燃式发动机及压燃式发动机的控制方法，能够抑制碳烟微粒和CO的产生，因此压燃式发动机的排放性能得到提高。
附图说明
图1是示出发动机系统的构成例的简图；
图2是示出与发动机系统的控制相关的构成例的方框图；
图3是示出燃料喷射时刻例的图；
图4是示出发动机系统的优选运转区间例的图；
图5是进气迟闭控制的说明图；
图6是示出发动机系统的控制的具体例的流程图；
图7是示出发动机系统的主要要素的图；
图8是示出实施例所涉及的指示平均有效压力(IMEP)与指示燃油消耗率(总(gross)ISFC)的关系之例的图；
图9是示出实施例所涉及的指示平均有效压力(IMEP)与NOx排放量的关系之例的图。
图10是示出实施例的缸内压力相对于曲轴转角角度的变化情况之例的图。
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。以下优选实施方式仅为从本质上说明本发明的示例，并没有限制本发明、其应用对象或其用途的意图。
图1示出发动机系统的简略构成。图2示出发动机系统的控制所涉及的构成例。发动机系统搭载在四轮车辆上。此处公开的发动机系统例如适用于大型卡车等大型车辆。不过，此处公开的发动机系统无关车辆的大小，能够广泛地适用于各种四轮车辆。
发动机系统包括作为压燃式发动机的柴油发动机1。通过柴油发动机1工作而使车辆前进。
该发动机系统构成为向柴油发动机1供给柴油燃料(也就是柴油或以柴油为主要成分的燃料)和特性与柴油燃料不同的异种燃料。异种燃料具有下述特性：实现压燃的压力和温度中的至少一者比柴油燃料高，且沸点比柴油燃料低。异种燃料比柴油燃料容易气化，且比柴油燃料难以着火。异种燃料相当于第一燃料，柴油燃料相当于第二燃料。异种燃料是主要用于生成扭矩的燃料。柴油燃料是主要用于着火的燃料。
具体而言，异种燃料是石脑油。该发动机系统能够使用的石脑油包括轻质石脑油、重质石脑油以及全馏程石脑油。轻质石脑油、重质石脑油以及全馏程石脑油的沸点范围各不相同。并且，该发动机系统也可以使用在石脑油中混有少量原油或重油的改性石脑油。
所述异种燃料除了石脑油以外，还可以是汽油。异种燃料不限于一种燃料，也可以是由二种以上燃料混合而成的燃料。例如异种燃料也可以采用石脑油与汽油的混合燃料、石脑油与其他燃料的混合燃料或汽油与其他燃料的混合燃料。
下面，对向柴油发动机1供给柴油燃料和石脑油的发动机系统进行说明。
＜发动机系统的构成＞
柴油发动机1具有设有多个气缸11a(在图1中仅示出一个)的气缸体11、设置在该气缸体11的上侧的气缸盖12以及设置在气缸体11的下侧且贮存有润滑油的油底壳13。在柴油发动机1的各气缸11a内嵌插有活塞14，活塞14沿气缸的中心轴做往复运动。活塞14经由连杆14b与曲轴15相连结。在活塞14的顶面形成有划分出缩口型(reentrant type)燃烧室14a的空腔。柴油发动机1构成为其几何压缩比在13以上18以下。
在每个气缸11a的气缸盖12上，都形成有进气道16和排气道17。在进气道16上，设置有将燃烧室14a的开口开启和关闭的进气门21。在排气道17上，设置有将燃烧室14a的开口开启和关闭的排气门22。
柴油发动机1包括使气门正时可变的进气S－VT(Sequential－Valve Timing：连续可变气门正时系统)71作为驱动进气门21的配气机构(参照图2)。进气S－VT71能够采用液压式或电动式等公知的各种构成。柴油发动机1按照运转状态来变更进气门21的气门正时。
在气缸盖12上，安装有作为第一燃料供给部的石脑油用喷油器19和作为第二燃料供给部的柴油燃料用喷油器18。
石脑油用喷油器19构成为向进气道16中喷射石脑油。也就是说，石脑油用喷油器19设置为喷射石脑油的喷孔朝向各气缸11a的进气道16中。贮存在第一燃料箱191内的石脑油通过省略图示的石脑油供给路径供往石脑油用喷油器19。
柴油燃料用喷油器18构成为向燃烧室14a中直接喷射柴油燃料。也就是说，柴油燃料用喷油器18设置为喷射柴油燃料的喷孔从气缸盖12的底面朝向气缸11a中。在图示的例子中，将柴油燃料用喷油器18设置在气缸11a的中心轴上，不过柴油燃料用喷油器18的设置位置能够设在适当的位置上。贮存在第二燃料箱181内的柴油燃料通过省略图示的柴油燃料供给路径供往柴油燃料用喷油器18。
在气缸盖12上，还安装有着火辅助装置。当柴油发动机1处于特定的运转状态时，着火辅助装置辅助混合气着火。具体而言，着火辅助装置是通过火花点火使混合气着火的点火装置20。点火装置20设置为电极伸入燃烧室14a内，省略详细图示。着火辅助装置也可以采用电热塞来代替点火装置，电热塞通过加热气缸11a内的空气来提高燃料的着火性。
柴油发动机1的一侧面上连接有进气通路30。进气通路30与各气缸11a的进气道16连通。进气通路30将空气和EGR气体引入各气缸11a。柴油发动机1的另一侧面上连接有排气通路40。排气通路40与各气缸11a的排气道17连通。排气通路40从各气缸11a排放出已燃气体。在上述进气通路30和排气通路40上，设置有对空气进行增压的涡轮增压器61，详情后述。
在进气通路30的上游端部，设置有过滤空气的空气滤清器31。在进气通路30的下游端附近，设置有缓压罐(surge tank)33。位于该缓压罐33的下游侧的进气通路30构成向每个气缸11a分支的独立通路。各独立通路的下游端与各气缸11a的进气道16相连。
在进气通路30上的空气滤清器31与缓压罐33之间，设置有涡轮增压器61的压缩机61a、中间冷却器35以及节气门36，中间冷却器35对被压缩机61a压缩后的空气进行冷却，节气门36对空气量进行调节。中间冷却器35构成为空冷式或水冷式即可。节气门36基本上是完全开启状态，但在例如要使大量EGR气体回流到进气通路30时，节气门36为了使进气通路30产生负压而变窄。
排气通路40的上游侧的部分由排气歧管构成。排气歧管具有向每个气缸11a分支并与排气道17的外侧端相连的多条独立通路和多条独立通路汇合的汇合部。
在排气通路40上的排气歧管的下游侧，从靠上游侧起依次设置有涡轮增压器61的涡轮61b、净化尾气中有害成分的尾气净化装置41以及消声器42。
尾气净化装置41具有三效催化剂41a。三效催化剂41a同时净化尾气中的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)以及氮氧化物(NOx)。三效催化剂41a将碳氢化合物氧化成水和二氧化碳，将一氧化碳氧化成二氧化碳，将氮氧化物还原为氮。三效催化剂41a在尾气的空燃比(空气与燃料的重量比)为理论空燃比时能够绰绰有余地净化尾气，即使空燃比在14.5～15.0的大致理论空燃比的净化窗口内，三效催化剂41a也能够净化尾气。
尾气净化装置41可以在具有三效催化剂41a的基础上，还具有微粒过滤器，微粒过滤器捕集尾气中含有的碳烟微粒等微粒。
在进气通路30与排气通路40之间，夹设有尾气回流通路51。尾气回流通路51供尾气的一部分回流到进气通路30。尾气回流通路51的上游端连接在排气通路40上的排气歧管与涡轮61b之间的部分(也就是涡轮61b的上游侧部分)上。尾气回流通路51的下游端连接在进气通路30上的缓压罐33与节气门36之间的部分(也就是压缩机61a的下游侧部分)上。在尾气回流通路51上设置有EGR阀51a和EGR冷却器52，EGR阀51a用于调节尾气向进气通路30回流的回流量，EGR冷却器52用于利用发动机冷却液对尾气进行冷却。
涡轮增压器61具有设置在进气通路30上的压缩机61a和设置在排气通路40上的涡轮61b。压缩机61a与涡轮61b互相连结，压缩机61a与涡轮61b一体地旋转。压缩机61a设置在进气通路30上的空气滤清器31与中间冷却器35之间。涡轮61b设置在排气通路40上的排气歧管与尾气净化装置41之间。涡轮61b因尾气流而旋转，由此使压缩机61a旋转，从而压缩空气。
排气通路40与绕过涡轮61b的排气旁路通路65相连。在排气旁路通路65上，设置有用于调节在排气旁路通路65中流动的排气量的尾气旁通阀(waste gate valve)65a。尾气旁通阀65a构成为在未通电时处于完全开启状态(Normal Open)。
＜发动机的控制装置的构成＞
如图1和图2所示，柴油发动机1由动力总成控制模块(以下称为PCM)10控制。PCM10由具有CPU、存储器、计数器定时器组、接口以及连接这些单元的路径的微处理器构成。该PCM10构成控制装置(以及控制部)。如图2所示，各种传感器的检测信号输入PCM10。此处的传感器包括：液温传感器SW1，其对发动机冷却液的温度进行检测；增压压力传感器SW2，其安装在缓压罐33上，且对供往燃烧室14a的空气的压力进行检测；进气温度传感器SW3，其对空气温度进行检测；曲轴转角传感器SW4，其对曲轴15的转角进行检测；油门开度传感器SW5，其对车辆的加速踏板(省略图示)的操作量所对应的油门开度进行检测；O2传感器SW6，其安装在三效催化剂41a的上游侧和下游侧的排气通路上，且对尾气中的氧浓度进行检测；排气压力传感器SW7，其对排气通路40上的涡轮61b的上游侧的排气压力进行检测；空气流量传感器SW8，其对进入进气通路30内的进气流量进行检测；EGR阀开度传感器SW9，其对EGR阀51a的开度进行检测；进气门相位角传感器SW10，其对进气门21的相位角进行检测；以及尾气旁通阀开度传感器SW11，其对尾气旁通阀65a的开度进行检测。
PCM10通过根据上述传感器SW1～SW11的检测信号进行各种运算，来判断柴油发动机1和车辆的状态，并向柴油燃料用喷油器18、石脑油用喷油器19、点火装置20、进气S－VT71、节气门36、EGR阀51a以及尾气旁通阀65a各自的致动器输出控制信号。
＜发动机的控制＞
PCM10对柴油发动机1的基本控制主要是根据油门开度决定目标扭矩，并使柴油燃料用喷油器18和石脑油用喷油器19执行与目标扭矩对应的燃料的喷射。
PCM10还按照柴油发动机1的运转状态，调节引入气缸11a内的空气量。具体而言，PCM10通过对节气门36和EGR阀51a的开度进行控制(也就是EGR控制)和/或利用进气S－VT71对进气门21的气门正时进行控制(也就是进气迟闭控制)，来调节空气量。如果进行迟闭控制即在压缩冲程的中期(将压缩冲程的曲轴转角180°三等分成前期、中期、后期时的中期)的进气下止点后60°～120°的范围内关闭(将进气门21的升程高度为0.4mm时定义为关闭时刻)进气门21，能够在不增加泵气损失的情况下，调节引入气缸11a内的空气量。并且，如果使EGR气体回流，则不仅能够调节引入气缸11a内的空气量，还能够提高气缸11a内的温度(随着进气迟闭控制使有效压缩比降低，压缩上止点附近的气缸11a内的温度上升不足，作为对其的补充)而提高混合气的着火性。而且，在气缸11a内的温度较高的高负荷区间，如果使EGR气体回流，则流过EGR冷却器52的低温惰性气体会回流到燃烧室14a，因此能抑制混合气(石脑油)过早着火，从而能够在能生成较高的发动机扭矩的恰当的着火时刻使混合气着火。
PCM10还进行空燃比反馈控制，即根据O2传感器SW6检测出的尾气中的氧浓度和空气流量传感器SW8检测出的进气流量，来调节空气量和燃料量。PCM10使燃烧室14a内的混合气的空燃比(也就是燃烧室14a内的空气(A)与燃料(F)的重量比(A/F))为理论空燃比，从而使从燃烧室14a排放的尾气的空燃比为理论空燃比。
需要说明的是，因为A/F＝14.5～15.0是相当于三效催化剂41a的净化窗口的空燃比，所以也可以使燃烧室14a内的空燃比为大致理论空燃比(14.5～15.0)，从而使从燃烧室14a排放的尾气的空燃比在14.5～15.0的范围内。此处所说的燃料量是包括柴油燃料和石脑油这二者的全部燃料的量。该发动机系统在柴油发动机1的整个运转区间进行空燃比反馈控制。这样一来，发动机系统在柴油发动机1的整个运转区间利用三效催化剂41a净化尾气。
(燃料喷射控制)
下面说明PCM10执行的燃料喷射控制。如前所述，该发动机系统向柴油发动机1供给主要用于生成扭矩的石脑油和主要用于着火的柴油燃料。比较所供给的石脑油的重量与所供给的柴油燃料的重量，石脑油的重量比柴油燃料的重量大。使柴油燃料占供往燃烧室14a的全部燃料的量的重量比在10％以下。也可以使柴油燃料例如占全部燃料的重量的5％。
因为石脑油的沸点比柴油燃料的沸点低，所以在燃烧室14a内容易气化。于是，利用石脑油在燃烧室14a内形成均质且接近理论空燃比的混合气。由此抑制碳烟微粒产生，并抑制CO产生。
另一方面，石脑油的实现压燃的压力和温度中的至少一者比柴油燃料高。也就是说，石脑油的着火性较低。如前所述，柴油发动机1构成为几何压缩比在13以上18以下的低压缩比，不利于燃料着火。
于是，在该发动机系统中，向燃烧室14a内供给着火性优异的柴油燃料。柴油燃料作为着火用燃料发挥作用，因此混合气被压缩而能够在规定时刻可靠地自动着火。包含石脑油和柴油燃料的混合气燃烧。
图3示出规定的发动机转速下石脑油和柴油燃料的喷射时刻之例。安装在进气道16上的石脑油用喷油器19在进气门21开启的进气冲程期间向进气道16内喷射石脑油。石脑油的喷射时刻设在进气冲程的中期到前期之间的期间内即可。此处，将进气冲程的前期和中期分别设为将进气冲程三等分为前期、中期以及后期这三个期间时的前期和中期即可。在从进气冲程的中期到前期的期间，气缸11a内的进气流动较快。通过在该期间喷射石脑油，能够利用进气流动，使石脑油在整个燃烧室14a内扩散开，并能够使混合气均质化。
伸入燃烧室14a内安装的柴油燃料用喷油器18在压缩冲程期间向燃烧室14a内喷射柴油燃料。柴油燃料的喷射时刻设在压缩上止点附近即可，具体而言，设在压缩上止点前30～10°CA的期间内即可。这样一来，混合气能够被压缩而在压缩上止点附近自动着火，并开始燃烧。如果使该燃烧的燃烧重心位于压缩上止点后5～10°CA，柴油发动机1的热效率就会提高。如前所述，因为柴油发动机1的几何压缩比较低，所以能够避免在喷射柴油燃料之前包含石脑油的混合气过早着火。通过调节柴油燃料的喷射时刻，能够调节混合气被压缩而自动着火的时刻。
此处，在本实施方式中，在图4所示的发动机1的运转区间的中负荷区间(S1区间)和高负荷区间(S2区间)，将柴油燃料用作着火用燃料。在低负荷区间(P区间)和发动机1冷机时或强制起动时(CS区间)，不供给柴油燃料，而是使石脑油燃料为100％，利用着火辅助装置使燃料着火。
在发动机负荷较低时和发动机冷机时，因为燃烧室温度较低，所以即使供给柴油燃料也难以得到期望的着火性。并且，由于所述进气迟闭控制，发动机的有效压缩比降低，燃料的着火性变差。
于是，在低负荷区间(P区间)和发动机1冷机时或强制起动时(CS区间)，不使用柴油燃料，而是利用着火辅助装置使燃料着火。也可以供给柴油燃料并使着火辅助装置工作。
(EGR控制)
如上所述，PCM10为了使燃烧室14a的空燃比A/F为大致理论空燃比并提高燃料的着火性，在向燃烧室14a供给石脑油和柴油燃料这二者时，至少在低负荷侧的运转区间，控制EGR阀51a，使尾气的一部分从排气通路40回流到进气通路30(EGR)。
在图4所示的发动机1的运转区间，中负荷区间(S1区间)和高负荷区间(S2区间)是将石脑油和柴油燃料这二者供往燃烧室14a的运转区间，在其中至少低负荷侧的运转区间即中负荷区间(S1区间)执行EGR。
在本实施方式中，PCM10在图4所示的发动机1的低负荷区间(P区间)、中负荷区间(S1区间)以及高负荷区间(S2区间)执行EGR。使发动机负荷较高的运转区间的EGR率(回流尾气量占回流尾气量与进入空气量的总量的比率)比发动机负荷较低运转区间的EGR率低。具体而言，在低负荷区间(P区间)和中负荷区间(S1区间)，控制EGR阀51a以使EGR率为40％，在高负荷区间(S2区间)，控制EGR阀51a以使EGR率在30％～0％的范围内且负荷越高则EGR率越低。
(进气迟闭控制)
PCM10为了使燃烧室14a的空燃比A/F为大致理论空燃比，而在所述EGR控制的基础上，在发动机低负荷区间(P区间)利用进气S－VT71执行进气迟闭控制。
此处，基本上为了为EGR而得到进气负压，控制节气门36向关闭方向变化。即，作为使空燃比A/F为大致理论空燃比的方法(减少新气引入量的方法)，也能够利用对节气门的控制，但该对节气门的控制会导致泵气损失变大。
于是，在本实施方式中，在该空燃比控制中，对进气门21进行迟闭控制(该控制使进气门21在压缩冲程的开启期间变长)。
在图5中，假想轮廓线示出进气门21的基准气门正时，在本实施方式中，其关闭时刻是进气下止点后30°CA。PCM10推迟进气门21的关闭时刻，以使发动机负荷越低，进入空气量就越少。图5的实线示出将进气门21的关闭时刻推迟到进气下止点后90°CA的气门正时。需要说明的是，将进气门21的关闭时刻定义为进气门21的升程量降低到0.4mm时。
＜发动机控制的具体例＞
如图6所示，读取各传感器SW1～SW11的检测信号，判别发动机1的运转状态是否在CS区间(冷机时或强制起动时)(S1、S2)。
当发动机1的运转状态在CS区间时，进入步骤S3，开启尾气旁通阀65a。这样一来，尾气就绕过涡轮61b被送往三效催化剂41a。因此，能够避免尾气的热量被涡轮61b夺取，有利于利用尾气的热量使三效催化剂41a早期升温。在接下来的步骤S4中，在进气冲程的规定时刻驱动石脑油用喷油器19，以使供往燃烧室14a的燃料为石脑油100％且空燃比在理论空燃比以下(A/F在15以下的富燃料)。在接下来的步骤S5中，使点火装置20工作，以使燃料在压缩上止点附近的规定时刻着火。
在步骤S2中，当发动机1的运转状态不在CS区间时，进入步骤S6，判别发动机1的运转状态是否在P区间(低负荷区间)。
当发动机1的运转状态在P区间时，进入步骤S7，控制EGR阀51a的开度，以使EGR率为40％。在接下来的步骤S8中，驱动进气S－VT71，以使进气门21的关闭时刻为规定的迟闭时刻。在接下来的步骤S9中，在进气冲程的规定时刻驱动石脑油用喷油器19，以使供往燃烧室14a的燃料为石脑油100％且空燃比为理论空燃比(A/F＝14.7附近)。在接下来的步骤S10中，使点火装置20工作，以使燃料在压缩上止点附近的规定时刻着火。
在步骤S6中，当发动机1的运转状态不在P区间时，进入步骤S11，判别发动机1的运转状态是否在S1区间(中负荷区间)。
当发动机1的运转状态在S1区间时，进入步骤S12，控制EGR阀51a的开度，以使EGR率为40％。并且，进行控制，以使进气门21的气门正时为基准时刻(图5的假想轮廓线)。在接下来的步骤S13中，在进气冲程的规定时刻驱动石脑油用喷油器19，以使石脑油占供往燃烧室14a的燃料总量的95％且空燃比为理论空燃比。在接下来的步骤S14中，在压缩冲程后半段的规定时刻驱动柴油燃料用喷油器18，以使柴油燃料占供往燃烧室14a的燃料总量的5％且空燃比为理论空燃比。
在步骤S11中，发动机1的运转状态不在S1区间时就是发动机1的运转状态在S2区间(高负荷区间)时。此时进入步骤S15，控制EGR阀51a的开度，以使EGR率在30％以下。并且，进行控制，以使进气门21的气门正时为基准时刻(图5的假想轮廓线)。在接下来的步骤S16中，在进气冲程的规定时刻驱动石脑油用喷油器19，以使石脑油占供往燃烧室14a的燃料总量的95％且空燃比为理论空燃比。在接下来的步骤S17中，在压缩冲程后半段的规定时刻驱动柴油燃料用喷油器18，以使柴油燃料占供往燃烧室14a的燃料总量的5％且空燃比为理论空燃比。
＜控制例＞
图7示出在几何压缩比为16的发动机1中，在发动机转速1500rpm下，低负荷区间(P区间)、中负荷区间(S1区间)以及高负荷区间(S2区间)的与燃烧控制相关的主要要素的一例。需要说明的是，此处所示的数值仅为示例，能按照规格做出变更。各数值示出的是基准值，实用中可以包含若干偏差。
在低负荷区间，EGR率为40％，较多的EGR气体被引入燃烧室。就进气门的关闭时刻(IVC)而言，进行进气迟闭控制，设为进气下止点后的90°CA。再加上通过进气迟闭控制使有效压缩比降低，难以实现稳定的压燃，因此利用着火辅助装置强制混合气着火，燃料仅采用石脑油，其不仅廉价，而且能够形成均质混合气，且有利于减少排放物。
在中负荷区间，EGR率与低负荷区间同为40％，较多的EGR气体被引入燃烧室。进气门的关闭时刻(IVC)恢复到基准设定，设为进气下止点后的30°CA。因为能够实现稳定的压燃，所以不使用着火辅助装置，利用压燃使混合气燃烧。通过向主燃料即石脑油中添加5％的柴油燃料，能够实现稳定的压燃。并且，因为被EGR冷却器52冷却后的温度较低的惰性气体(EGR气体)被引入燃烧室，所以能抑制混合气着火后急剧燃烧，从而抑制燃烧噪声的增大、热负荷的增大。
在高负荷区间，EGR率为30％，为了实现高效的燃烧，而使空气量相对地增加。与中负荷区间一样，进气门的关闭时刻(IVC)设为进气下止点后的30°CA，能够实现稳定的压燃，因此利用压燃使混合气燃烧。与中负荷区间一样，燃料采用5％的柴油燃料和95％的石脑油。并且，因为被EGR冷却器52冷却后的温度较低的惰性气体(EGR气体)被引入燃烧室，所以能抑制混合气(石脑油)过早着火，从而能够使着火时刻为能够生成较高的发动机扭矩的着火时刻。
同样，在发动机高速区间，EGR率为30％，为了实现高效的燃烧，而使空气量相对地增加。进气门的关闭时刻(IVC)设为在高速区间能够使进气填充量较多的时刻，是进气下止点后的45°CA左右。在高速区间，从进气冲程到压缩冲程为止的经过时间比低速区间短，因此从曲轴转角方面来看，经由进气道16供给石脑油的石脑油供给期间较长，另一方面，从石脑油供给结束时刻到压缩上止点附近为止的时间间隔特别短，所形成的石脑油的混合气变得不均质，但EGR气体的回流促进石脑油的气化，由此均质化的恶化被抑制，不再产生碳烟微粒，能够提高发动机扭矩。需要说明的是，在高速区间也采用5％的柴油燃料和95％的石脑油，但由于发动机速度与从石脑油开始供给到压缩上止点附近为止的时间间隔的关系，在无法得到最佳着火时刻的情况下，也可以供给100％的石脑油，并利用着火辅助装置强制混合气着火。
如上所述，在高速区间使EGR气体回流的情况下，当主体燃料为柴油燃料时，碳烟微粒增多，所以不可使EGR气体回流，但在供给以石脑油为主体的燃料时，EGR气体的回流是有效的。
图8示出图7所示的控制要素所涉及的实施例和现有例(柴油燃料100％)的指示平均有效压力(IMEP)与指示燃油消耗率(总(gross)ISFC)的关系。因为实施例中使空燃比为大致理论空燃比，所以在低负荷、中负荷以及高负荷的各负荷下，与用稀混合气运转的现有例相比，指示燃油消耗率降低。即，与现有的柴油发动机系统相比，此处公开的发动机系统的发动机扭矩和省油性能得到提高。
图9示出上述实施例和现有例的指示平均有效压力(IMEP)与NOx排放量的关系之例。在现有例中，如果发动机负荷变高，来自燃烧室的NOx排放量就会增加。相对于此，在实施例中，示出三效催化剂41a的下游的排气尾管的排放量，因为使从燃烧室14a排放的尾气的空燃比为理论空燃比且利用三效催化剂41a净化NOx，所以NOx的排放量实质上为零。即，与现有的柴油发动机系统相比，此处公开的发动机系统的排放性能得到提高。
图10示出上述实施例的缸内压力相对于曲轴转角角度的变化情况。根据该图，在将柴油燃料用作着火用燃料的IMEP＝852(中负荷区间)的情况和IMEP＝1440(高负荷区间)的情况中，均在压缩上止点后的20゜CA附近以前就出现缸内压力的峰值。可知：燃料(石脑油和柴油燃料)在利用柴油燃料着火而使热效率变高的时刻燃烧。
正如以上说明的那样，该发动机系统向柴油发动机1供给用于生成扭矩的石脑油和用于着火的柴油燃料。利用气化性能优异的石脑油，在整个燃烧室14a内形成均质且接近理论空燃比的混合气，由此能够抑制碳烟微粒和CO的产生。并且，关于燃烧室14a内的混合气，使包括石脑油和柴油燃料这二者的燃料与空气的重量比(A/F)为大致理论空燃比，并使从燃烧室14a排放的尾气的空燃比为理论空燃比，由此能够利用设置在排气通路40上的三效催化剂41a来净化尾气。能够省略现有的柴油发动机所需要的用于净化NOx的后处理系统，从而实现发动机系统的简化和低成本化。相对于用稀混合气运转的现有柴油发动机，所述发动机系统使混合气的空燃比为大致理论空燃比，因此能够提高发动机扭矩。
需要说明的是，此处公开的发明不限于上述的构成。例如，在燃料的总喷射量较少的低负荷区间和轻负荷区间，也可以使混合气的空燃比比理论空燃比大很多(贫燃料)(例如A/F＝30～45)。如果使空燃比在30～45左右，就能够抑制在燃烧室14a内生成NOx。并且，还能够直接向燃烧室喷射石脑油(第一燃料)。
此外，在上述的构成中，安装有涡轮增压器61，但并不一定需要安装涡轮增压器。即，在现有的柴油发动机中，需要安装增压器来使燃烧时的空燃比较大而减少碳烟微粒和CO，并使用高成本的选择性还原催化剂来实现NOx的减少，或者，需要安装多个增压器来显著提高增压压力而使燃烧时的空燃比大幅度地变大，并降低发动机机体的压缩比来降低燃烧温度而实现碳烟微粒、CO、NOx的减少，但在本发明中，通过供给第一燃料，能够使混合气的空燃比在14.5～15.0的范围内，因此通过搭配使用三效催化剂41a，不用依赖增压，就能够实现碳烟微粒、CO的减少，并能够绰绰有余地净化NOx，其结果是还能够提供一种无需安装增压器的廉价发动机。
－符号说明－
1 柴油发动机(发动机机体)
10 PCM(控制部)
14a 燃烧室
16 进气道
18 柴油燃料用喷油器(第二燃料供给部)
19 石脑油用喷油器(第一燃料供给部)
40 排气通路
41a 三效催化剂

Claims (12)

1.一种压燃式发动机，其特征在于：
所述压燃式发动机包括发动机机体、第一燃料供给部、第二燃料供给部以及控制部，
所述发动机机体具有燃烧室，
所述第一燃料供给部构成为向所述燃烧室供给第一燃料，
所述第二燃料供给部构成为向所述燃烧室供给第二燃料，所述第二燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比所述第一燃料低，且所述第二燃料比所述第一燃料难以气化，
所述控制部构成为分别向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，
所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使供往所述燃烧室的所述第一燃料的重量比供往所述燃烧室的所述第二燃料的重量大，然后，所述控制部向所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第二燃料供往所述燃烧室，
所述控制部通过向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，来在所述燃烧室内形成混合气，该混合气被压缩而自动着火。
2.根据权利要求1所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述第一燃料是沸点比所述第二燃料低的燃料。
3.根据权利要求1或2所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使供往所述燃烧室的所述第二燃料的重量占供往所述燃烧室的全部燃料的重量的10％以下。
4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的压燃式发动机，其特征在于：
在所述第一燃料中包含石脑油，在所述第二燃料中包含柴油燃料。
5.根据权利要求1到4中任一项权利要求所述的压燃式发动机，其特征在于：
在所述第一燃料中包含汽油，在所述第二燃料中包含柴油燃料。
6.根据权利要求1到5中任一项权利要求所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料和所述第二燃料供往所述燃烧室并燃烧而保证从所述燃烧室排出的尾气的空燃比在14.5～15.0的范围内。
7.根据权利要求6所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料和所述第二燃料供往所述燃烧室而保证所述燃烧室内的混合气的空燃比在14.5～15.0的范围内。
8.根据权利要求1到5中任一项权利要求所述的压燃式发动机，其特征在于：
在所述发动机机体的排气通路上设置有三效催化剂，所述三效催化剂构成为净化从所述燃烧室排出的尾气，
所述控制部向所述第一燃料供给部和所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料和所述第二燃料供往所述燃烧室并燃烧而保证下述尾气的空燃比为理论空燃比，该尾气为所述排气通路上的所述三效催化剂的上游的尾气。
9.根据权利要求1到8中任一项权利要求所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述第一燃料供给部设置在向所述发动机机体的进气道喷射所述第一燃料的位置处，
所述第二燃料供给部设置在向所述燃烧室内喷射所述第二燃料的位置处。
10.根据权利要求1到9中任一项权利要求所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料在进气冲程期间供往所述燃烧室，
所述控制部向所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第二燃料在进气冲程后的压缩冲程期间供往所述燃烧室。
11.根据权利要求9所述的压燃式发动机，其特征在于：
所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使所述第一燃料在进气冲程期间被向所述进气道喷射，
所述控制部向所述第二燃料供给部输出信号，以使所述第二燃料在进气冲程后的压缩冲程期间被向所述燃烧室喷射。
12.一种压燃式发动机的控制方法，其特征在于：
控制部向第一燃料供给部输出信号，以使第一燃料供往发动机的燃烧室，
所述控制部向第二燃料供给部输出信号，以使第二燃料在所述第一燃料供给结束之后供往所述燃烧室，所述第二燃料的实现压燃的压力和温度中的至少一者比所述第一燃料低，且所述第二燃料比所述第一燃料难以气化，
将所述第二燃料供给到所述燃烧室之后，在所述燃烧室内形成的混合气被压缩而自动着火，
所述控制部向所述第一燃料供给部输出信号，以使供往所述燃烧室的所述第一燃料的重量比供往所述燃烧室的所述第二燃料的重量大。
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