CN1180785A - 缸内喷射型内燃发动机的排气升温系统 - Google Patents

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Abstract

一用于火花点火、缸内喷射型内燃机排气升温系统,包括一电子控制器。在内燃机处于需排气升温工况下、主燃料在压缩冲程内喷射时,电子控制器控制内燃机控制参数,以使一在膨胀冲程中间或随后阶段剩在燃烧室内的冷焰反应物浓度与可燃烧浓度极限值相近,再在膨胀冲程中间或随后阶段通过燃烧喷射阀将一附加燃料喷入燃烧室。发生附加燃料冷焰反应,冷焰反应物浓度超过可燃烧浓度极限值,附加燃料可自燃燃烧。利用附加燃料燃烧产生热能使排气升温。

Description

缸内喷射型内燃发动机的排气升温系统
本发明涉及一种缸内喷射型内燃发动机，它直接将燃料喷入燃烧室，并使喷入的燃料被火花点燃而进行分层燃烧，更具体地说，涉及一种当内燃发动机的净化装置处于非激活状态时(例如发动机处于冷态工作时)，或当废气净化装置不能维持其激活温度时(例如发动机在分层燃烧的空燃比较为稀薄的情况下工作时)，用来升高排出气体温度的系统。
对火花点燃型的内燃发动机而言，已经研制出不同于传统的进气歧管喷射型发动机的、直接将燃料喷入燃烧室的各种缸内喷射型汽油发动机。通常的缸内喷射型发动机被布置成：将燃料从一燃料喷射阀喷入一形成在发动机活塞顶部的腔室内，因而能让稀薄的空气-燃油混合物燃烧，从而减少有害废气成分的散发，并降低燃油消耗。然而，如果发动机在整个发动机工作区域内都进行这样一种稀薄燃烧，那么在某些发动机工作区域内可能发生发动机输出功率不足的现象。为避免这一缺陷，将缸内喷射型内燃发动机布置成：根据发动机的工况，例如发动机负载，在压缩行程喷射方式和进气行程喷射方式这两种喷射方式之间切换。
当发动机处于低负载工作区域时，可选择压缩行程喷射方式，即，燃料主要是在压缩行程时喷射。在这种喷射方式下，在压缩行程时向活塞顶部的腔室喷射的大部分燃料会因为于吸气行程时吸入燃烧室的吸入空气在该腔室内环绕流动的旋流的作用而停留在腔室内。因此，即使在只喷入少量燃料(压缩-稀薄方式)而使气缸总的空燃比较大(例如40)的情况下，也可以在活塞接近火花塞点火时，在火花塞电极周围的腔室内形成其空燃比接近理论空燃比的空气-燃油混合物。这样就使通过火花让该空气-燃油混合物燃烧成为可能。于是，在压缩行程喷射的方式下，使大量供给的吸入空气和排出气体一起以废气再循环的方式再循环进入气缸，这样就能减少泵气损失，并大大降低燃油消耗。
另一方面，当发动机处于中等或高负载工作区域时，燃料主要是在进气行程喷射，这样就在燃烧室内形成空燃比较为均匀的空气-燃油混合物。在凭借这种方式获得较为均匀的空燃比的情况下，可使大量燃料燃烧，并且不会因为火花塞周围局部地浓度过大而造成缺火现象，从而确保在车辆加速或高速运行时能获得所需的发动机输出功率。
在发动机冷起动、或在大气温度较低情况下低负载的发动机运转过程中，一缸内喷射型内燃发动机可能需要更多的时间来激活发动机排气通道上的废气净化装置的催化剂。当发动机以压缩-稀薄方式工作并有大量吸入空气供给气缸时，排出气体的流速较高，因而排出气体的温度趋于变低。因此，如果发动机是以压缩-稀薄方式工作，即使催化剂曾经达到过被激活的温度，排出气体的催化剂也不能保持其激活温度。为了解决这些问题，已经提出了多种使排出气体温度升高而快速激活催化剂的方法。
例如，日本专利JP-A-4-183922所揭示的缸内喷射型内燃发动机是在发动机的压缩行程内控制一燃料喷射阀，把主燃料喷入燃烧室，并使火花塞点燃主燃料。然后，燃料喷射阀在膨胀行程或排气行程的早期(这时进气阀保持关闭)重新动作，向燃烧室喷入附加的燃料，并且重新使火花塞点燃附加的燃料。
然而，上述系统的不利之处在于，它需要一个复杂的点火控制逻辑，并且不能保证有足够的能量用于第二次点火，这是因为：通常在压缩行程内喷入的主燃料基本上在膨胀行程的过程中完全燃烧。因此，在喷射附加燃料时，气缸内能促进空气-燃油混合物燃烧的活性化学物质的数量就变得少了。另一方面，自燃能力很小的燃料(例如汽油)的燃烧需要有很大的能量(例如热、压力、温度能量)。因此，像如上所述的那样，若紧接在喷射附加燃料之后简单地再次起动火花塞，有时就不能提供用来点燃附加燃料所需的点火能量。在这种情况下，附加的燃料不能充分地燃烧，因此不能保证排出气体的温度升高，于是就不能迅速地激活净化器的催化剂。
为了能获得足够的点火能量以消除上述问题，必须采用一具有大容量的点火器。在这种情况下，点火器的尺寸必然较大，而且成本也较高。
上述的日本专利JP-A-4-183922还揭示了这样一种技术，即：通过使附加燃料和排出气体混合，并起动设置在排气通道内的火花塞，来加热净化器催化剂，使催化剂快速升高到激活温度。然而，这种装置的不利之处在于，它需要增加部件数量，因而成本较高。
在这一方面，日本专利JP-A-8-100638提出了一种无需利用火花塞点火就能允许附加附加燃料燃烧的方法。在该方法中，主燃料是在发动机的压缩行程内喷入，起动火花塞来点燃主燃料，并且在膨胀行程的过程中喷入附加燃料。因火花塞的点火动作而起动的主燃料燃烧所生成的火焰可波及附加燃料并使之燃烧。借助这种方法，可以在不必重新起动火花塞的情况下使附加燃料燃烧，附加燃料的燃烧导致排出气体温度升高，从而缩短催化剂激活所需的时间。
然而，根据这种方法，附加的燃料必须在这样一个时间内喷射，即，可以保证附加燃料能被在主燃烧过程中蔓延过来的火焰所点燃。实际上，在这种方法中，是将附加燃料的点火正时设定在例如曲轴转角为10°至80°ATDC的范围内。然而，如果像这样在膨胀行程的早期喷射附加燃料，就会浪费附加燃料燃烧时所产生的一部分热量用作膨胀功，这样就可能无法达到足够的排气温度。此外，必须增加附加燃料的数量，以便使排出气体的温度充分地升高。这样就导致燃料消耗进一步增加的缺陷。
本发明的目的在于，提供一种用于缸内喷射型内燃发动机的排气升温系统，该系统能在无需设置一特别装置的情况下供给和点燃附加的燃料，而且能有效地利用附加燃料燃烧所产生的热量来使排出气体升温。
本发明提供一种用于缸内喷射型内燃发动机的排气升温系统，它适用于将主燃料从一喷射阀直接喷入燃烧室，并用火花塞点燃喷入的主燃料，以进行稀薄燃烧。
本发明的排气升温系统包括：发动机控制装置，用以控制发动机的控制参数，例如在主燃料燃烧过程中产生、并且在膨胀行程的中间阶段或下一阶段保留在燃烧室内的冷焰反应产物的浓度和当发动机处于需升高排出气体温度的工作情况时所到达的燃烧浓度极限；以及，附加燃料控制装置，用以在膨胀行程的中间阶段或下一阶段从燃料喷射阀喷射附加燃料，以便在发动机控制装置对发动机控制参数进行控制时，使整个冷焰反应产物(包括留存在燃烧室内的冷焰反应产物和由附加燃料新产生的冷焰反应产物)的浓度超过可燃浓度的极限值。
在根据本发明的排气升温系统中，如果发动机处于排出气体需要升温的工作状态，例如，当发动机的废气净化器催化剂的温度不到激活温度时，将附加燃料喷入燃烧室，这时在燃烧室内留存着由主燃料的冷焰反应而产生的一部分冷焰反应产物。附加燃料的冷焰反应将产生新的冷焰反应产物。于是，燃烧室内冷焰反应产物的浓度超过可燃浓度极限值，附加燃料就可以自燃。因此，根据本发明，可以在不需要操作一点火装置并且不需要利用在主燃料燃烧(主燃烧)过程中所产生之火焰的情况下点燃附加燃料。在已有技术中，附加燃料的喷射是在膨胀行程的早期进行的，以便将附加燃料喷入主燃烧所产生的火焰内，与之不同的是，本发明中附加燃料的喷射是在膨胀行程的中间阶段或下一阶段进行的。因此，根据本发明，附加燃料燃烧所产生的热量并不浪费在发动机内作膨胀功，因而能有效地升高排出气体的温度。
从以上说明中可以看出，本发明是在发明人研制的基础上产生的，它能有效地在一膨胀行程的中间阶段或下一阶段喷射附加燃料，以便有效地利用附加燃料的燃烧所产生的能量使排出气体的温度升高。
本发明的发明人通过下述的考虑和实验已经实现了上述目的。
在配备了排气升温系统的内燃发动机中，通常是在压缩行程内例如图2所示的曲轴转角位置CA1时，将能使总的空燃比小于理论空燃比的一定数量的主燃料(一般是汽油)喷入燃烧室。主燃料和在主燃料喷入之前吸入的燃烧室的吸入空气混合，并借助吸入空气在形成于活塞顶部的一个腔室内的循环流动而造成的旋流作用而保持在该腔室内。
当主燃料与吸入空气混合时，将发生不会产生热量的冷焰反应(不产生火焰)。该冷焰反应可产生一些化学物质(冷焰反应产物)，诸如可促进支链反应的过氧化物、甲醛或类似物(例如CHO、H2O2、OH)。当空气-燃油混合物被压缩或暴露于高温下时，可促进冷焰反应。
如图2所示，当活塞向气缸盖移动时，也就是从主燃料喷射时间(曲轴转角位置CA1)至点火正时(曲轴转角位置CA2)的周期内，气缸内的压力Pe渐增得比较慢。在这一周期内，空气-燃油混合物因气缸内的绝热压缩而被加热，因而如图3所示，冷焰反应产物的浓度慢慢地逐渐增加。图3示出了在一特定位置上(在一较浓的空气-燃油混合物部分)得到的、火花塞周围的冷焰反应产物的浓度，它是曲轴转角的函数。
在活塞到达上止点之前，火花塞是在例如曲轴转角的位置是如图2所示的CA2时被起动。在点火正时，可在燃烧室内火花塞周围形成空燃比接近理论空燃比的浓空气-燃油混合物，而在该浓空气-燃油混合物的周围则形成稀薄的空气-燃油混合物，如图1左上的标有“形成空气-燃油混合物”的部分所示。当火花塞在分层充气状态下(如图1中的标有“点火”部分所示)工作时，在火花塞电极附近形成一火焰中心。然后，在形成火焰中心的触发下，冷焰反应在火花塞周围迅速地进行(如图1中的“进行冷焰反应”部分所示)。于是，可迅速地增加冷焰反应产物的数量。
当冷焰反应产物的数量进一步增加到能使燃烧室内的冷焰反应产物浓度增大至超过一均衡浓度(可燃浓度极限)INTD时(在图3中的时间点CA3)，冷焰反应开始指数地或爆炸地进行，并生成一火焰(热焰)，如图1中右上的“生成火焰”那一部分所示。也就是说，火花塞周围的浓空气-燃油混合物被点燃。
如果空气-燃油混合物是以这种伴随着化学反应和热量释放的方式燃烧，那么气缸内的压力Pe迅速上升，如图2中的实线所示。图2中的“DZ区域”是指从点火至燃烧的这一段时间内曲轴转角区域。顺便说一下，在空气-燃油混合物没有被点燃的情况下，在活塞向压缩方向移动时，气缸内的压力Pe略微增大，如图2中的虚线所示。
在空气-燃油混合物被点燃的情况下，将从冷焰反应过程变成热焰反应过程。在热焰反应开始的位置上，冷焰反应产物的浓度迅速下降，而最终产物，例如CO2、H2O以及未燃烧的碳氢化合物THC(全部碳氢化合物)迅速增加，如图3中的虚线所示。此外，在邻近已发生热焰反应位置的位置上，由化学反应而产生的热量从热焰供给至浓空气-燃油混合物。于是，在这些邻近位置上，浓空气-燃油混合物开始冷焰反应，以迅速增加冷焰反应产物的浓度，从而起动热焰反应。因此，热焰反应的区域向外扩散，以致火焰或火焰前锋蔓延(如图1中左下方的“火焰蔓延”部分所示)。于是，如图2所示，气缸内的压力Pe迅速增大。
随后，火焰前锋抵达浓的空气燃油混合物和稀薄的空气燃油混合物的边界，但是火焰并不蔓延至稀空气燃油混合物，火焰在此处停止蔓延。由于浓空气-燃油混合物的化学反应所产生的热量(热焰反应区)被供给至稀空气燃油混合物，所以开始进行稀空气-燃油混合物的慢的冷焰反应，并随后继续(如图1中标有“冷焰反应继续”部分所示)。气缸内的压力Pe如图2所示的那样迅速降低。
图1示出了作为曲轴转角之函数的冷焰反应产物的浓度，这是在稀空气-燃油混合物内的一个特定位置上，并且当进行了本发明的发动机控制以升高排气温度(排气升温控制)时观察到的，所述控制可以是例如对空燃比和点火正时的控制。从图4中清楚可见，在已经完成浓空气-燃油混合物燃烧的膨胀行程的从中间阶段至下一阶段的这一段时间内(图2中标有“WZ区域”的曲轴转角区域)，如果进行排气升温控制，就可以把稀空气-燃油混合物内的冷焰反应产物的浓度维持在一个接近可燃浓度极限值的高水平上。也就是说，即使在主燃料燃烧(主燃烧)之后，也会在气缸内留下相当多数量的冷焰反应产物。
如果在这一阶段(图2和图4中的时间点CA4)喷射附加燃料，就会使附加燃料暴露在气缸内的高温气氛中，附加燃料的冷焰反应迅速进行，因而重新生成新的冷焰反应产物。从图4中清楚可见，在附加燃料刚刚喷入之后，整个冷焰反应的浓度(更具体地说，是在稀空气-燃油混合物内的上述特定位置上的浓度)，包括喷射附加燃料时新产生的冷焰反应产物以及主燃烧之后留存在气缸内的冷焰反应产物的浓度超过了可燃浓度极限值。于是，附加燃料开始自燃(如图1中右下方的“附加燃料自燃”部分所示)。也就是说，可以在不用火花点燃的情况下点燃附加燃料。
以上的说明可以概括如下：通过将燃烧室内刚喷入附加燃料之前的冷焰反应产物的浓度控制成接近可燃浓度极限的值，并将燃烧室内刚喷入附加燃料之后的冷焰反应产物的浓度控制成超过可燃浓度极限的值，就可以让附加燃料自燃，即使是在膨胀行程的中间阶段到下一阶段(这时火花塞周围的浓空气-燃油混合物已经完成燃烧)喷入附加燃料也行。也就是说，要点燃附加燃料时不必再次起动火花塞，或者是在火焰蔓延的过程中喷射附加燃料。在已有技术中，附加燃料是在火焰蔓延的过程中喷入的，与之相比，在本发明中可使附加燃料燃烧所产生的热量中用于作膨胀功的能量相对于燃烧所产生的总能量所占的比例降低，因而可以有效地利用附加燃料燃烧所产生的能量来升高排气温度。
为了检查排气升温的要求，本发明的发明人作了如下实验：
在第一实验中，在使吸入的空气量保持恒定的同时，把主燃料的喷射量设定成能使主燃料喷射时的空燃比等于30，并把附加燃料和主燃料的喷射量设定成能使总的空燃比等于理论空燃比。此外，将作为发动机控制参数的点火正时TRD设定在压缩上止点上。在进行该实验使发动机工作时，将主燃料和附加燃料的喷射量以及点火正时分别控制为设定值，并使作为另一发动机参数的附加燃料喷射正时在上止点之后30°至110°(曲轴转角)的范围内变化，并测量每一附加燃料喷射时的排气温度和排出气体内未燃烧碳氢化合物的浓度。此外，进行类似的实验时，点火正时TRD分别被设定成在上止点之后5°、10°和15°。在下面的说明中，压缩上止点、压缩上止点之前和压缩上止点之后分别表示为TDC、BTDC和ATDC。
在第二实验中，将主燃料的喷射量设定成能使总的空燃比等于40的值。换言之，主燃料的喷射量小于第一实验，在如图1左上部分所示的“形成空气-燃油混合物”的过程中，形成在火花塞周围的浓空气-燃油混合物部分比较小。除了主燃料的喷射量以外，其它的实验条件都和第一实验相同。在第二实验中，在使附加燃料喷射正时于30°至110°(曲轴转角)的范围内变化的同时，测量排气温度，并将点火正时TRD设定为TDC。此外，进行类似的实验时是将点火正时TRD分别设定为5°BTDC和15°BTDC。
图5是根据第一实验的结果而绘制的曲线图，它示出了作为附加燃料喷射正时和点火正时TRD之函数的排出气体温度。图6是根据第二实验的结果绘制的类似于图5的曲线图。图7是根据第一实验的结果绘制的曲线图，它示出了作为点火正时TRD和附加燃料喷射时间之函数的排出气体温度和排出气体内未燃烧碳氢化合物的浓度。
从图5-7所示的实验结果中清楚可见，当附加燃料喷射正时在压缩上止点之后的30°至110°的范围内变化时，排出气体的温度呈现两个顶峰。当附加燃料喷射正时被设定在膨胀行程的早期阶段内(曲轴转角在45°ATDC附近)时出现第一顶峰，而当附加燃料喷射正时被设定在膨胀行程的中间阶段或下一阶段内(曲轴转角在90°至100°ATDC附近)时出现第二顶峰。
经研究，当附加燃料的喷射正时从曲轴转角45°ATDC变化至65°ATDC时排气温度下降的原因是：未燃烧的、并作为THC(总的碳氢化合物)排放的附加燃料的量在刚刚提到过的附加燃料喷射正时的区域内增大。
此外，图5至图7示出了逐渐超过第一顶峰的第二顶峰。经研究，其原因在于，当附加燃料是在膨胀行程的中间阶段或下一阶段喷入的情况下，附加燃料燃烧所产生的用于作膨胀功的那一部分能量相对燃烧所获得的总能量所占的比例小于附加燃料是在膨胀行程的早期喷入的那种情况。也就是说，通过在膨胀行程的中间阶段或下一阶段喷入附加燃料，可以有效地使附加燃料燃烧所产生的能量转变成能让排出气体升温的能量，进而减少了附加燃料的用量。
从图5至图7的实验结果清楚可见，当主燃料点火正时TRD朝着TDC延迟时，排气温度的上升变得更快。经研究，其原因在于，若点火正晨TRD被延迟，主燃烧就变得缓慢，因而火焰前锋的蔓延时间也变得缓慢。因此，在火焰前锋完全蔓延之前，缸内压力下降，火焰熄灭。在这种情况下，根据本发明人的观点，冷焰反应产物的浓度上升，附加燃料的燃烧速度上升，从而获得一较大的排气温度上升的效果。
此外，将图5和图6的实验结果作比较可以清楚地发现，在点火正时分别被设定为TDC、5°BTDC和15°BTDC的情况下，当主燃料喷射量的设定值能使总的空燃比等于40，即大于能使总的空燃比等于30的情况下，就能获得一个较大的温度上升的效果。经研究，其原因在于，如果在主燃烧时空燃比较为稀薄，就会发生缓慢的主燃烧，因而获得类似于将点火正时延迟的结果。
图5至图7所示的实验结果表明：若将点火时间延迟或在发动机工作以使排气温度升高的情况下使空燃比变得稀薄，就能够改善排气温度上升的效果，并降低THC的散发。当考虑图3和图4所示的、关于燃烧室内冷焰反应产物之浓度的检测结果以及图5至图7所示的实验结果时，可以清楚地发现，通过使点火正时延迟或使空燃比变得稀薄，就可以在刚好喷射附加燃料之前，在膨胀行程的中间阶段或下一阶段内，于燃烧室内保留相当数量的冷焰反应产物，并且能使在刚喷入附加燃料之后获得的冷焰反应产物的浓度超过可燃浓度的极限值。经研究，如果点火正时被延迟或空燃比变稀薄，主燃烧就会变得缓慢。因此，借助另一些能使主燃烧缓慢进行的方法也可以获得排气温度上升的效果。
更具体地说，为了加强排气升温的效果，最好是根据图5至7所示的实验结果将附加燃料喷射正时设定在曲轴转角为70°ATDC至110°ATDC范围内的一个值(更好的是在80°ATDC至100°ATDC的范围内)，这时冷焰反应产物增加。70°ATDC至110°ATDC的范围是和膨胀行程的中间阶段或下一阶段相对应。
根据图5至7所示的实验结果以及本发明人的研究，要加强排气升温的效果，最好是利用包括点火正时设定装置的发动机控制装置将点火正时设定在曲轴转角为10°BTDC至5°BTDC的范围内的一个值，以将主燃料的点火正时延迟，从而使主燃料缓慢燃烧。
为了加强分层燃烧(主燃烧)的稳定性，最好是将点火正时设定成在5°BTDC至TDC的范围内的一个值。在这种情况下，最好是利用包括空燃比控制装置在内的发动机控制装置将分层燃烧时的空燃比设定成小于25，以便让主燃料缓慢燃烧。更好的是，为了进一步加强分层燃烧(主燃烧)的稳定性，应该将分层燃烧的空燃比设定为大约30至40。这样，就可以在不延迟点火正时的情况下，获得排出气体的升温的效果。
当发动机处于需要升高排出气体温度的工况时，利用至少包括点火正时设定装置或空燃比控制装置的发动机控制装置，通过将点火正时控制在延迟侧(分层燃烧控制)或将空燃比控制在稀薄侧就能以任何的速率获得所需的排气升温效果，所谓延迟侧和稀薄侧是相对于在无需排气升温的发动机工况下进行的对点火正时或空燃比的发动机控制(分层燃烧控制)而言。
本发明的发明人发现，当在主燃料喷射之后进行附加燃料的喷射时，在发动机的排气歧管出口处会出现火焰。在这个实验中，发动机是在不受负载的情况下以1500rpm的速度运转。在喷射正时为57°BTDC时喷射能使空燃比等于30的主燃料，在点火正时为15°BTDC时利用火花塞点燃，而喷入的附加燃料可以使相关于主燃料喷射和附加燃料喷射的总的空燃比等于14.7。附加燃料的喷射正时是设定在属于膨胀行程中间阶段的90°ATDC。在这种情况下，可在排气歧管出口处观察到蓝色的火焰，如图17右下方的标有“本发明”部分所示。
此外，进行一次类似于前述已有技术的发动机工作，也就是将附加燃料的喷射正时设定在属于膨胀行程早期的30°ATDC。为了解因附加燃料喷射正时的不同而带来的影响，除了附加燃料的喷射正时以外，故意让其余的发动机工作状态都等于刚提到过的本发明的发动机的工作状态。在相应于已有技术的发动机运转状态时，在排气歧管出口处可观察到明亮的火焰，如图17左下方的标有“已有技术”的部分所示。
在膨胀行程的早期喷射附加燃料而观察到的明亮火焰的现象表明：附加燃料是由因主燃料燃烧而产生的热火焰点燃的。另一方面，在膨胀行程的中间阶段或下一阶段喷射附加燃料而观察到蓝色火焰的现象表明：附加燃料是自燃的。因此，图17说明了在本发明和已有技术的附加燃料点火机理之间的重要差别。如上所述，附加燃料自燃而产生的燃烧热能不会浪费于用作膨胀功，这些能量可以有效地使排出气体升温。
在图17的上部，示出了与附加燃料喷射正时成函数关系的排出气体温度和排出气体内未燃烧碳氢化合物浓度。
本发明的排气升温系统适用于缸内喷射型内燃发动机，这种发动机是从一燃料喷射阀直接将需由火花点燃的燃料喷入燃烧室，并使喷入的燃料进行有效的分层燃烧。
可以将缸内喷射型内燃发动机设置成能在一进气行程喷射方式下工作，也就是在进气行程的过程中喷入燃料。在这种情况下，可根据发动机的负载状况，使发动机在进气行程喷射方式和压缩行程喷射方式(在压缩行程的过程中喷入燃料)之间切换。进气行程喷射方式可以包括：一进气行程浓喷射方式，在这种方式下是将燃料的喷射量设定成能使总的空燃比等于一浓空燃比或理想空燃比的值；以及，一进气行程稀薄喷射方式，在这种方式下是将燃料的喷射量设定成能使总的空燃比较稀薄的值。在进气行程稀薄喷射方式下，利用吸入空气的涡流来进行稀薄燃烧。
本发明的排气升温系统可应用于能在压缩行程喷射方式和进气行程喷射方式之间切换工作方式的发动机。在这种情况下，当使排出气体升温时，最好是让发动机以压缩行程喷射的方式工作。
本发明的排气升温系统还能应用于配备了废气净化装置的内燃发动机。所述废气净化装置可以配备用来净化排出气体内的CO、HC和NOx的三元催化净化器和在分层燃烧或稀薄燃烧过程中净化NOx的稀NOx催化净化器或它们中的一个，这种类型的废气净化装置是在稀NOx催化净化器的下游设置三元催化净化器，其优点在于，在稀NOx催化净化器中对NOx的净化不会受到三元催化净化器的阻碍，并且可以借助三元催化净化器将在稀NOx催化净化器中没有完全净化的CO和HC完全净化。此外，废气净化装置还可以是只有一具三元净化净化器功能的稀Nox催化净化器。
图1是一示意图，示出了在一压缩行程的过程中喷射主燃料的燃烧过程以及在膨胀行程的中间阶段或下一阶段进行附加燃料喷射的情况；
图2是一曲线图，示出了当进行本发明的排气升温控制时观察到的、缸内压力与曲轴的函数关系；
图3是一曲线图，示出了在如图2中的椭圆DZ所示的主燃烧区域内观察到的、燃烧室内冷焰反应产物浓度的变化；
图4是一曲线图，示出了在如图2中的椭圆WZ所示的附加燃料燃烧区域内观察到的、冷焰反应产物浓度的变化；
图5是一曲线图，示出了根据实验确定的点火正时TRD、排气温度和附加燃料喷射正时之间的关系，在所述实验中将主燃料的喷射量设定成能使空燃比等于30；
图6是一曲线图，示出了点火正时TRD、排气温度和附加燃料喷射正时之间的关系，在这种情况下是将主燃料的喷射量设定成能使空燃比等于40；
图7是一曲线图，示出了根据有关图5的实验而确定的排气温度、点火正时TRD和附加燃料点火正时之间的关系，以及排出气体内未燃烧的碳氢化合物的量、点火正时TRD和附加燃料喷射正时之间的关系；
图8是一示意图，示出了一配备有本发明第一实施例的排气升温系统的发动机；
图9是一发动机控制方式的曲线分域图，示出了与气缸内的平均有效压力Pe及发动机速度Ne成函数关系的压缩行程稀薄喷射区域、进气行程稀薄喷射区域、理想反馈区域以及燃料切断区域；
图10是一局部示意图，示出了一缸内喷射、火花点燃型内燃发动机在压缩行程喷射方式下工作时的燃料喷射情况；
图11是类似于图10的视图，示出了发动机在进气行程喷射方式下工作时的燃料喷射情况；
图12是根据本发明第一实施例的排气升温控制的流程图；
图13是一第一稀薄特性图，用来在排气温度上升而使发动机冷却水温度较低的情况下设定主燃料燃烧时的目标空燃比；
图14是一第二稀薄特性图，用来在发动机冷却水的温度不低的情况下设定目标空燃比；
图15是根据本发明第二实施例的排气升温控制的流程图；
图16是用来修正一基础目标空燃比的一个修正因素KL的曲线分域图；
图17是一彩色视图，示出了与附加燃料喷射正时成函数关系的排出气体温度和排出气体内未燃烧碳氢化合物浓度，并示出了分别在膨胀行程早期和膨胀行程后期喷射附加燃料时在排气歧管出口处观察到的明亮火焰和蓝色火焰。
下面将结合各附图来详细描述根据本发明第一实施例的排气升温系统以及配备了该系统的一缸内喷射型汽油发动机。
在图8中，标号1表示一火花点燃、缸内喷射型直列四缸汽车汽油发动机(下面将简称为发动机)。发动机1是一四冲程发动机，每个工作循环包括进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程，发动机1具有燃烧室1a、进气系统、废气再循环(EGR)系统10以及除了缸内喷射以外其它类似的设计。
发动机1的气缸盖上装配了用于每一气缸的电磁燃油喷射阀8以及火花塞35，以便将燃油从燃油喷射阀直接喷入相关的燃烧室1a。在气缸内往复运动的一活塞的顶面上形成了一个半球形的腔室(参见图10和11)。该腔室是处在这样一个位置上，即，当活塞接近其往复运动的上止点位置时从燃油喷射阀8喷射的燃料可以到达的位置。发动机1的理论压缩比是设定为一个比进气歧管喷射型发动机高的值(在该实施例中大约是12)。采用一顶置双凸轮轴(DOHC)四阀系统作为阀的驱动机构。在气缸盖2的上部可转动地设置了分别用来驱动进气阀9和排气阀10的一进气侧凸轮轴和一排气侧凸轮轴。
气缸盖上形成有若干进气口2a，每一进气口均在凸轮轴之间大致竖直地延伸。经过进气口2a吸入的空气流可在燃烧室1a内产生反向旋流，这将在稍后提及。和普通的发动机一样，排气口3a大致沿水平方向延伸。一个未图示的大直径的排气再循环口(EGR开口)从相关的排气口沿对角线向下偏斜。在图8中，标号19表示一用来探测冷却水温度Tw的水温传感器；21表示一用来在预定的曲轴位置上(在该实施例中是5°BTDC和75°BTDC)输出一曲轴转角信号SGT的曲轴转角传感器；34表示一用来向火花塞35提供高压的点火线圈。以曲轴的一半转速旋转的凸轮轴之一上装配了一个用来输出一气缸识别信号SGC的识别传感器(未图示)，根据该传感器信号SGC可以识别出由曲轴转角信号SGT指示出其曲轴转角的那一个气缸。
各进气口2a通过一进气歧管2连接于一进气管6，所述进气歧管2包括一缓冲箱2b，而所述进气管6上则设有一空气滤清器6、一节气门段6b以及一步进电机式怠速控制阀(以下将称作怠速控制阀)16。进气管6上还设有一大直径的空气旁通管50a，它形成节气门段的迂回通路，通过该旁通管可将吸入的空气引入进气歧管2，在该旁通管内还设置了一个线性螺线管型的空气旁通阀(ABV阀)50。空气旁通管50a的流动截面积大致等于进气管6的流动截面积，因此，当ABV阀50完全打开时，发动机低速或中速运转所需要的一定量的吸入空气流过管道50a。怠速控制阀16的流动截面积小于ABV阀的流动截面积，并且它是用来精细地调节吸入空气的量。
节气门段6b上设有：一用来打开或关闭内部通路的蝶型节气阀7、一用来探测节气阀开度θth作为油门开度节气阀位置传感器14以及一用来探测气阀的完全关闭状态的怠速开关15。空气滤清器6a内设有一进气温度传感器12和一大气压力传感器13，用以确定吸入空气的密度。这些传感器可分别输出表示大气压力Pa和吸入空气温度的输出信号。在吸气管6的进口附近，设置一卡门旋涡式空气流量传感器11并且输出一与每一吸气冲程的空气容积流率Qa成比例的流旋涡发生信号。
通过内部设有一步进电动机型排气再循环阀10a的大直径排气再循环管10b，将前述排气再循环开口与节流阀7的下游和进气歧管2的上游相连接。
排气口3a与一具有一O2传感器17的排气歧管3连接。一具有用于净化排气的催化转化器9以及一排气消音器(未图示)的排气管(排气通道)3b与排气歧管3连接。O2传感器17探测排气中的氧气浓度，并输出探测信号。固定在催化剂9下游侧的是一用于探测催化剂或邻近位置温度TCC(将在下文中称作催化剂温度)的催化温度传感器26。从燃烧室1a排至排气歧管3的排气进入催化转化器9，在那里清除三种有害的排气成分CO、HC和NOX，然后再通过消音器消音，以便被排放到大气中去。
当控制空燃比至燃料稀薄侧(稀薄侧)时，稀薄NOX催化净化器9a与一三元催化净化器9b组合而成的催化剂9适合于实现节油运转的内燃机1。当内燃机在理论空燃比条件下运转时，三元催化净化器9b清除排气中的CO、HC、和NOX。当内燃机使用稀薄空燃混合物运转时，稀薄NOX催化净化器9a用来清除三元催化净化器9b不能充分清除的排气中的NOX，三元催化净化器9b位于稀薄NOX催化净化器9a的下游侧，这样，稀薄NOX催化净化器9a清除NOx就不会被三元催化净化器9b所中断，并且一定能在三元催化净化器9b中清除稀薄NOX催化净化器9a不能充分清除的CO和HC。顺便提及，如果稀薄NOX催化净化器具有三元功能，可以仅设置稀薄NOX催化净化器。
一燃油箱，图中未示，设置在一车辆本体的后部。通过一燃油供给系统(未图示)从燃油箱向喷油阀8提供燃油。即，储存在燃油箱内的燃油由一电动的低压燃油泵抽吸，通过一低压输送管输送到内燃机1。依靠在气缸盖上的高压燃油泵，通过一高压输送管和一传送管将朝着内燃机1提供的燃油输送进入每个喷油阀8。
一电子控制器(ECU)23设置在车辆的乘客驾驶室内，它包括一输入/输出器，用于存储控制程序、控制特性图之类的存储器(ROM、RAM、BURAM等)，中央处理器(CPU)和计时器等。电子控制器23处理内燃机1的整个控制。
用于测试空调器、动力操纵装置以及自动变速器等在运转时给发动机1提供负载的装置工况的各种开关，分别与接收从这些开关传出的各测试信号的电子控制器23的输入侧相连接。另外对于上述各种传感器和开关，许多开关和传感器(未图示)与电子控制器23的输入侧连接，而电子控制器23的输出侧与警告灯、装备件等连接。根据相关传感器和开关提供的输入信号，电子控制器23决定燃油喷射模式、燃油喷射数量、燃油喷射结束时间、点火正时、排气再循环气体引入量等，然后控制油喷阀8、点火线圈34、排气再循环阀10a等。
接下来将简单地解释如下所述内燃机1不进行排气温度加热控制情况下的一普通控制作用。
启动处于冷态的内燃机时，电子控制器23选择吸气冲程喷射模式，并且控制燃油喷射，以得到一相对高的空燃比。这样做的原因是因为当内燃机处于冷态时，燃油的蒸发率很低，如果以压缩冲程喷射模式进行燃油喷射，就不可避免地产生未燃燃油成分的点火不良和排放。另外，在内燃机起动阶段电子控制器23关闭了空气旁通阀(ABV)50。在这种情况下，通过节流阀7和吸气管6周围壁间的间隙以及通过设有怠速控制阀16的旁路通道，将吸入空气提供进燃烧室1a。顺便提及，怠速控制阀16和空气旁通阀50都由电子控制器23整体控制，并且根据所提供的由节流阀7旁路进入内燃机的吸入空气(旁路空气)的引入量来决定它们这些阀的打开程度。
在起动内燃机的情况下，在起动内燃机后，直至冷水温度TW上升至一给定值，电子控制器23选择吸气冲程喷射模式进行燃油喷射并保持空气旁通阀50闭合。另外在吸气歧管喷射型内燃机情况下，根据随着辅助设备(诸如空调器之类)运行状态变化而升高或降低的内燃机负载，通过调节怠速控制阀16的打开程度，实现怠速控制。如果需要也可打开空气旁通阀50。当O2传感器17达到它的启动温度，根据O2传感器17的输出值，电子控制器23起动空燃比反馈控制，这样可由催化剂9清除有害的排气成分。如上所述，当内燃机处于冷态时，燃油喷射控制是以与吸气歧管喷射型内燃机相似的方式来实现的。在不发生燃油滴粘附在吸气口内壁表面上的缸内喷射型内燃机1中控制响应和控制准确性都很高。
一旦完成了内燃机1的预热，电子控制器23即根据由节流阀打开θ等决定的内燃机速度Ne和目标有效缸内压力(目标负载)Pe，按照图9中的燃料喷射控制区域图来修正目前的燃油喷射控制区域。然后，决定一适合于目前控制区域的燃油喷射模式和燃油喷射量，再驱动燃油喷射阀8。另外，再对空气旁通阀50和排气再循环阀45打开程度进行控制。
例如，当内燃机处于低负载，低速范围时，举例来说，在怠速时，内燃机在图9阴影线区域所示的压缩冲程稀薄喷射区域内运转。在这种情况下，电子控制器23选择压缩冲程喷射模式，根据内燃机工况控制空气旁通阀50和排气再循环阀10a的打开程度，并且控制燃料喷射，所喷射的燃料数量使空燃比变稀薄(在本实施例中大约在20至40的范围内)。如图10中的箭头所示，在燃料喷射前通过吸气口2a被吸入燃烧室内的吸气形成一反向旋流80。通过反向旋流的作用，燃料喷雾81停滞在位于适当位置的空腔内。结果，在点火正时，围绕着火花塞35形成一空燃比接近理论空燃比的空燃混合物。完成内燃机预热后，燃料的蒸发率升高。因此，即使整个空燃比很稀薄时(例如50左右)，所喷射的燃料也能被点燃。因为内燃机在如此稀薄的空燃比下运转，所以CO和HC的排放量很小，并且通过排气再循环也能使NOX的排放限定在很低的范围内。另外，通过打开空气旁通阀50和排气再循环阀10a提供大量空气和排气，可降低泵气损失。因为在稀薄空燃比与泵气损失共同作用下运转，可以大大地提高燃料的消耗量。通过增加或减少燃料喷射量来实现与内燃机负载的升高或降低相应的转速控制，使得控制的响应(度)也很高。
在压缩冲程喷射模式中，从喷射阀8喷射出来并通过吸入空气的反向旋流进行传递的燃料应该到达火花塞35，并应该在点火正时前蒸发，以便形成一容易点着的空燃混合物。如果整个或平均的空燃比等于或小于20，就会围绕着火花塞局部地形成过浓的空燃混合物，这样就发生了所谓的浓点火不良。另一方面，如果平均空燃比等于或大于40，空燃比超过了稀薄极限植，这样就会发生所谓的稀薄点火不良。因此，正如下面将提及的，将准确地控制燃料喷射开始时间、燃料喷射终止时间和点火正时，并且将空燃比的平均值设定在20至40范围内。如果必须提供使平均空燃比等于或小于20的燃料量，就将对吸气冲程喷射模式作一变化。
当内燃机在低速或中速下运转时，内燃机将在图9中吸气冲程稀薄区域或理论反馈区域(理论空燃比反馈控制区域)内运转。在这种情况下，电子控制器23选择一吸气冲程喷射模式。
更具体地说，如果由平均有效压力Pe和内燃机速度Ne表示的内燃机工况属于吸气冲程稀薄区域时，就选择吸气冲程稀薄喷射模式，并且控制空气旁通阀50的打开程度和燃料喷射量，以取得相对稀薄的空燃比(例如大约在20至23之间)。在吸气冲程稀薄喷射模式中，如图11所示，通过吸气口2a进入的吸入空气在燃烧室内形成一反向旋流80，以产生一紊流效果。因此通过控制燃料喷射开始时间和燃料喷射终止时间，可以燃烧具有如此稀薄空燃比的混合物。
当内燃机在理论反馈区域(S-FB区域)范围内运转时，选择S-FB控制模式，并且当空气旁通阀50保持关闭时，控制排气再循环阀10a的打开和关闭(仅当内燃机在S-FB区域内的特定范围内运转时，才对排气再循环阀10a进行控制)。另外，根据O2传感器17输出的电压，对空燃比进行反馈控制。在S-FB区域内，因为内燃机在高压缩率下运转所以可以得到一较大的内燃机输出功率，并且可以通过催化剂9清除有害的排气成分，同时通过排气的再循环降低NOX的排放。
当内燃机急剧加速或在高速下运转时，进入图9所示的开路控制区域。电子控制器23选择开路控制模式(吸气冲程喷射模式)，关闭空气旁通阀50并且根据节流打开θth、内燃机速度Ne等控制燃料喷射，以便取得一相对较浓的空燃比。在这种情况下，由于压缩比较高可以取得一较高的内燃机输出功率，一股吸入空气可形成反向旋流80，并且由于吸气口2a基本上相对于燃烧室1a垂直延伸还可以取得一惯性效果。
当内燃机在中速或高速运行中出现内燃机怠速运转时，进入图9所示的切断燃料区域。电子控制器23完全停止燃料的喷射，这样可降低燃料消耗，并减少了有害的排气成分。如果内燃机的速度Ne变得低于恢复速度，或者操作者压下加速器踏板时，切断燃料操作立即停止。
下面，将参阅图12中所示的流程图说明本发明排气升温控制的过程。
当进行上述普通的内燃机控制的同时，也进行图12所示的排气升温控制过程，每时每刻都从一曲轴转角传感器21中输出一曲轴转角信号SGT。
首先，在步骤S10中，电子控制器23读取由各传感器分别测试到的内燃机工况数据，例如催化剂温度Tcc、内燃机冷却水温度Tw、吸入空气流率Qa、节流打开度θth、内燃机速度Ne、大气压力Pa以及吸气温度Ta。然后，在步骤12前的过程中，通过判断由催化剂温度传感器26测试出的催化剂温度TCC是否超出催化剂判别温度TCW，来判断催化剂9是否处于激活状态，TCW是根据激活催化剂的最低温度极限值预先设定的，催化剂激活判别温度TCW的设定值，例如可以等于激活催化剂的低限温度或者一特定的温度值。如果是本实施例稀薄NOX催化净化器9a的情况下，激活催化剂的低限在大约是400℃。
在催化剂激活判别步骤S12中，不仅判断催化剂温度TCC是否超过催化剂激活判别温度TCW，而且还进一步判断允许排气升温的条件是否满足。
当下列两项要求中的一项或两项不满足时，就达到了禁止排气升温控制的条件：
(1)当完成内燃机起动后的内燃机速度Ne超过一特定的内燃机速度，或当内燃机起动时，通常要求内燃机速度保持稳定的一段时间(例如大约四秒)已过去时；以及，
(2)在排气升温控制过程中，空气量控制装置的工况没有实质性变化(例如节流阀的打开程度)。
下面将说明当空气量控制装置的工况有变化时，禁止排气升温控制的原因。
如果空气量控制装置朝着增加空气供给量的方向变化，这说明需要一加速的内燃机运转。在这种情况下，燃料喷射量增加，因此可以不利用排气升温控制而升高排气温度。另一方面，如果当内燃机以中速或高速运行时，空气量控制装置朝着减小空气供给量的方向变化时，实现燃料切断控制来停止提供主燃料。在这种情况下，不能通过简单地提供附加燃料燃烧一附加的燃料，来试图升高排气温度。另外，当内燃机处于燃料切断区域内时，如果同时提供主燃料与附加燃料，则不可能实现一与操作者希望内燃机减速的意图相对应的减速运转。
下面将对步骤S12中所进行的催化剂温度判断和禁止排气升温控制的条件判断进行解释。
如果在步骤S12中的判断结果是肯定的(是)，即如果催化剂温度TCC高于催化剂激活判别温度TCW，或者如果满足禁止排气升温控制的条件，这样就断定催化剂9处于激活状态或是不必或不适合进行排气升温控制。在这种情况下，过程前进至步骤S14。
在步骤S14中，进行上述普通的内燃机控制。即仅进行主燃料的喷射，而禁止附加燃料的喷射。更具体地说，根据内燃机的工况在压缩冲程喷射模式或在吸气冲程喷射模式中实现普通的内燃机控制。
另一方面，在步骤S12如果判别结果是负的(否)，即如果催化剂温度TCC低于催化剂激活判别温度TCW或者如果不满足禁止排气升温控制的条件，这样就断定催化剂9处于未激活状态，允许排气升温控制，因此实现下面将详细讨论的排气升温控制。
在排气升温控制中，在压缩稀薄模式中进行主燃料喷射，而点火正时被控制延迟。更具体地说，在步骤S16中，从一延迟特性图(未示出)中读取一点火正时θRD。预先根据与图5至图7中的的实验结果相似的经验数据来准备延迟特性图，并将它存储在电子控制器23的存储器中。更具体地说，在排气温度上升控制过程中，根据催化剂温度TCC、目标排气温度、内燃机冷却水温度TW等从延迟特性图中读取与主燃料喷射相联的点火正时θRD。另外，因为所决定的点火正时须根据吸入空气的密度进行修正，而吸入空气的密度又是根据大气压力Pa和吸入空气温度Ta所决定的。任何情况下，点火正时θRD的数值总适当地设定在根据曲轴转角而定的10°BTDC至5°ATDC范围内。
下面在步骤S18中，可以判断由水温传感器19测试到的冷却水温TW是否小于一特定的判别温度TWO(例如50℃)。
从图5与图6中的比较明显看出，如果要借助于提供附加燃料来升高排气温度，就要进行一两阶段的燃烧，其中附加燃料燃烧后再进行主燃料的燃烧，建议将空燃比设定在40左右，以取得一更大的排气温度上升效果。但是，当内燃机温度很低时，不能得到空燃比大约为40的稀薄空燃混合物的稳定燃烧。在本实施例中，当内燃机温度很低时，所设定的一目标空燃比AF数值可允许主燃料的燃烧稳定。当内燃机的温度不低时，所设定的目标空燃比AF的数值大于在低内燃机温度时的数值，以便于提高排气升温效果。另外，可根据内燃机工况变化目标空燃比AF。
更具体地说，在本实施例中，力求容易地设定适合于内燃机温度的目标空燃比AF，在低内燃机温度时通过实验预先决定相对于内燃机工况下(相对于内燃机速度Ne和目标平均有效压力Pe的每个燃烧)的目标空燃比AF。根据实验从而得到结果，可准备一图13中所示的对应于低内燃机的的第一稀薄特性图(AF＝f(Ne，Pe))，并将它储存在电子控制器23的内存中。另外如第一稀薄特性图一样准备一对应于普通内燃机温度的第二稀薄特性图，并将它储存在内存中。根据内燃机冷却水温度Tw选择第一特性图或第二特性图。
第一稀薄特性图中所设定的目标空燃比AF的数值Cij(i＝1、2、3…；j＝1、2、3、…)比第二稀薄特性图中的目标空燃比AF的数值Dij小。具有相同下标ij的数值C和D用于相同的内燃机运转关态中(除了冷却水温度Tw)。例如，把第一稀薄特性图的C22设定为30，而把在相同内燃机工况中使用的与C22相同的第二稀薄特性图的D22设定为40。
如果在步骤S18中判别结果是正的，即，如果冷却水温度Tw低于判别温度Two时，在步骤S20中，根据目标负载Pe和内燃机速度Ne从图13中所示的第一稀薄特性图中读取目标空气燃料比AF。与操作者所需的内燃机输出功率相关的目标平均有效压力Pe可被表示为一节流打开θth和内燃机速度Ne的函数。在本实施例中，在从稀薄特性图中读取目标空燃比时使用的目标平均有效压力Pe是从预先准备好的并存入存储器中的目标平均有效压力特性图中读取的。
如果在步骤要8中判别结果是负的，即，如果冷却水温度Tw等于或大于判别温度Two时，断定不可能存在不稳定的燃烧，程序进行至步骤S22，在那里，根据目标负载Pe和内燃机速度Ne，从图14所示的第二稀薄特性图中读取目标空燃比AF。
因此，如果内燃机冷却水温度Tw小于判别温度Two，目标空燃比AF的设定值Cij小于当冷却水温度Tw等于或大于判别温度Two时的值Dij，从而可稳定一主燃料燃烧。
接着在步骤S24中，通过利用从第一或第二稀薄特性图中读取的目标空燃比AF，可以根据下面的方程式(M1)计算出一主燃料喷射正时(燃料喷射阀8的阀门打开时间)Tinjm：
Tinjm-K×(Qa×γ/AF)×(Kwt×Kaf...)×Kg+TDEC
                                            …(M1)
其中K是将燃料数量转换成阀门打开时间的转换系数(常数)；Qa是每一吸气冲程中一吸入空气的容积流率；γ是吸入空气密度；AF是在步骤S24中读取的目标空燃比；Kwt、Kaf...是根据内燃机水温Tw等设定的不同修正系数；Kg是一用于喷射阀8的放大修正系数；TDEC是一根据目标平均有效压力Pe和内燃机速度Ne设定的空载时间修正值。
计算出主要燃料喷射正时Tinjm后，在步骤S26中，根据下列方程式(M2)计算出一附加燃料喷射正时Tinja：
Tinja＝K×Qa×γ{(1/理论AF)-(1/AF)}×(Kwt×Kaf...)×Kg+TDEC                                ...(M2)
其中理论AF表示理论空燃比(14.7)，而AF表示在步骤S24中读取的目标空燃比。
在本实施例中，从方程式(M2)中得知，附加燃料喷射正时Tinja，即附加燃料喷射量的设定基本上取决于主燃烧以后保留在气缸内的氧气量(Qa×γ{(1/理论AF)-(1/AF)}。从而根据内燃机的工况，诸如内燃机冷却水温度Tw(对应于修正系数Kwt等)修正设定的喷射正时。即，附加燃料喷射量的设定方式使得每个汽缸每个循环的一空燃比(这个空燃比是由每一汽缸的每个循环的整个燃料喷射量(主燃料喷射量和附加燃料喷射量的总和)和每一汽缸每一循环的吸入空气量Qa决定的)等于由适于取得排气温度上升效果的特定空燃比(在这里是理论空燃比)和诸如冷却水温度Tw之类的内燃机工况决定的一总目标空燃比，换句话说，附加燃料喷射量的设定使得每一汽缸的每一循环的空燃比与根据内燃机工况的不同而围绕着特定空燃比变化的总目标空燃比相等。例如，当内燃机以1500rpm的速度运行时，为了使主燃烧稳定，较可取地是所设定的空燃比数值是朝着相对于理论空燃比的稀薄侧稍稍移动的(例如大约15)。
计算出主燃料喷射量和附加燃料喷射量后，在步骤S28中进行主燃料喷射和点火。
较可取地是，在那个时间开始主燃料喷射，它允许空燃混合物在取得最佳稳定点火的时刻到达邻近的火花塞。在本实施例中，根据在步骤S16中参考具有预先设定的作为点火正时θRD函数的主燃料喷射开始时间的特性图而设定的点火正时θRD，决定主燃料喷射的开始时间。在这个已设定的主燃料喷射开始时间，在压缩冲程内，燃料喷射阀8被驱动打开，从而开始主燃料的喷射。
接着，程序前进至步骤S30，在膨胀冲程的中间阶段的一特定时刻进行附加燃料的喷射。根据如图5至图7中所示的实验结果，附加燃料喷射的开始时间可以被固定在一特定的时刻，例如，曲轴转角90°ATDC即在膨胀冲程的中间阶段。在本实施例中，认为能取得最大排气升温效果的最合适的附加燃料喷射开始时间是根据诸如大气压力Pa和吸入空气温度Ta之类的内燃机工况环境条件而变化的，而相对于每个内燃机运转环境条件的附加燃料喷射的最适合开始时间是由预先的实验设定并以特性图(未示)的形式储存在电子控制器23的存储器中的。参照考特性图，根据大气压力Pa等设定最适合的附加燃料喷射的开始时间。
EUC 23等待已设定的附加燃料喷射开始时间的到来，并驱动燃料喷射阀8打开，从而喷射出附加燃料。在附加燃料喷射的时刻，在稀薄空燃混合物通过主燃料喷射形成于燃烧室1a的部分内，仍然剩下具有与可燃烧的浓度极限值浓度相近的冷焰反应产物。然后，喷入汽缸内高温大气中的附加燃料生成新的冷焰反应产物，这样包括剩余冷焰反应产物和新的冷焰反应产物在内的整个冷焰反应物的浓度超过了可燃烧浓度的极限值。因此，附加燃料由于自燃而燃烧，开始了附加燃料的燃烧。由附加燃料燃烧所产生的热能确保排气升温，所以不浪费于作膨胀功。
接下来，将说明本发明第二实施例的一排气升温系统。
与第一实施例不同，在第一实施例中，在主燃烧时设定了目标空燃比AF的情况下，根据内燃机冷却水的温度Tw是否小于判别温度Two而选择第一或第二稀薄特性图，而本实施例通过由与第一和第二稀薄特性图相似的一特性图所决定的一基础目标空燃比，并且通过基础目标空燃比与一随水温Tw的变化而变化的修正系数相乘而在主燃烧时决定目标空燃比AF。即，本实施例的排气升温系统与第一实施例的排气升温控制过程不同，而与第一实施例的其他方面都相同。
将参阅图15中的流程图来解释本实施例的排气升温控制过程。
图15中所示的排气升温控制程序步骤S42至S46以及步骤S54至S60分别与图12流程图中所示的步骤S10至S16以及步骤S24至步骤S30基本相似，将省略对这些步骤的描述。
在步骤S40中，电子控制器23读取包括目标负载Pe、催化剂温度Tcc、冷却水温度Tw、吸入空气流率Qa、节流阀打开θth、内燃机速度Ne、大气压力Pa、吸入空气温度Ta等在内的各种内燃机工况量。在步骤S42中，如果断定催化剂温度Tcc低于催化剂激活判别温度Tcw以及不满足允许排气升温控制的条件时，在步骤S46中，从延迟特性图中读取点火正时θRD。程序前进至步骤S48，在那里从一用于排气升温控制的基本目标空燃比特性图中读取一基本目标空燃比(基本AF)。这幅特性图也是以与图13中的第一稀薄特性图相似的方式预先设定的。接着在步骤S50中，从图16所示的一修正系数特性图中读取一修正系数KL。修正系数KL是用来修正在步骤48中根据冷却水温度Tw读取的基本目标空燃比。在修正系数特性图中，修正系数KL以这样一种方式设定：在冷却水温度Tw等于或小于对应于第一实施例中判别温度Two的预设温度TW1的水温范围内，将修正系数值取为1，在水温Tw超过预设温度TW1的水温范围内，修正值所取的数值随着水温Tw上升而增加。
在步骤S52中，利用基本目标空燃比和修正系数KL，根据下列方程式(N1)可计算出一目标空燃比(目标AF)：
目标空燃比＝(基本目标空燃比)×(修正系数KL)
                                ...(N1)
当冷却水温度Tw的升高超过了预设温度TW1时，目标空燃比的数值将变得很大。
接着，实现步骤S54以及其后的步骤，这些步骤与图12中流程图中步骤S24及其后的步骤过程相同。
本发明并不局限于第一和第二实施例，它可以有多种变化和修改。
例如，在前述排气升温控制中，设定附加燃料喷射量的数值，为了使在相继进行主燃料喷射和附加燃料喷射时所取得的用于每个汽缸每一循环的整个空燃比变得等于目标空燃比，目标空燃比围绕着由内燃机工况决定的一特定空燃比(较可取地是理论空燃比)而变化。但是不必通过刚才提及的设定方法来设定附加燃料喷射量。在某些情况下，用于每个汽缸每一循环的整个空燃比可能小于或大于理论空燃比。另外，只要能使附加燃料燃烧，还可将附加燃料喷射量固定设置为一个不变的喷射量，
在上述的排气温度上升控制中，与普通内燃机运转的点火正时相比，延迟主燃料的点火正时，从而实现一缓慢燃烧，因此可控制在膨胀冲程的中间或随后阶段中剩余在汽缸内的冷焰反应产物的浓度的数值，使它接近可燃烧浓度的极限值。但是，不必在排气升温控制中延迟与主燃料相关的点火正时。例如，在主燃烧的时候，简单地使空燃比稀薄到等于或大于35的程度也是很有效的。在这种情况下，主燃料缓慢燃烧，控制在膨胀冲程中间或随后阶段中的冷焰反应产物浓度值与可燃烧浓度的极限值相近。
为了使附加燃料喷射有效，并不是必需一次完成喷射。可将附加燃料喷射分成多次进行。
另外，可对全部汽缸、或者仅对一个或几个特别的汽缸进行附加燃料喷射。
在上述的实施例中，已确定当由催化剂温度传感器26所测试的催化剂温度Tcc低于催化剂激活判别温度Tcw时，应进行排气升温控制。换句话说，可以根据从用于测试内燃机工况的各种传感器中得到的相关信号来估计催化剂的温度，当已估计的催化剂低于催化剂激活判别温度时，进行排气温度上升控制。另外，为了简化控制，当内燃机起动后由内燃机温度探测装置探测出的内燃机温度(冷却水温度)超过一设定温度，或者当由经过时间探测装置探测出一根据内燃机起动时水温而设定的可变的或固定的预定时间段已超过了内燃机起动时间时，可以进行排气升温控制。
另外，当内燃机在催化剂未激活的条件下运转时，可在一特定时间段实现排气升温控制，只要满足以下(1)-(3)中的任一要求：
(1)内燃机起动后，当内燃机的速度超过一特定的内燃机速度时，或者自内燃机起动以后，要求内燃机速度稳定的一定时间段已过去；
(2)正在进行分层燃烧模式的内燃机控制，并且正在进行一节流阀打开程度没有很大变化的固定式内燃机运转；
(3)正在进行当从燃料切断区域复原后的怠速运转正在进行。
在第一实施例中，如果催化剂未激活，根据水温从第一和第二稀薄特性图中读取目标空燃比，然后主燃料喷射量等的设定方法使得可以取得目标空燃比。另外，可以不使用特性图，根据水温信息来不定地设定主燃料喷射量与附加燃料喷射量之比。即，如果水温低，可以提高主燃料喷射量以稳定主燃烧，相反如果水温高，可以增加附加燃料喷射量来缩短激活催化剂所需的整个时间段。

Claims (9)

1.一种适用于将主燃料直接从一燃料喷射阀喷入燃烧室并采用火花点燃被喷射的主燃料而进行稀薄燃烧的缸内喷射型内燃机的排气升温系统，它包括：
用于控制一内燃机控制参数的内燃机控制装置，它使得当内燃机处于需要升高排气温度的运转条件时，在主燃料燃烧过程中产生的、并在膨胀的的中间阶段或随后阶段中剩余在燃烧室内的冷焰反应产物浓度接近一可燃烧浓度极限值；以及，
用于在膨胀的的中间阶段或随后的阶段从燃料喷射阀喷射一附加燃料的附加燃料控制装置，它使得当内燃机控制装置控制内燃机控制参数时、包括剩余在燃烧室内的冷焰反应产物和一通过附加燃料的冷焰反应新产生的一冷焰反应产物在内的整个冷焰反应产物的浓度超过燃烧浓度的极限值，从而升高了设置在内燃机排气系统内的一排气清除装置的温度。
2.一种如权利要求1所述的排气升温系统，其特征在于，所述内燃机控制装置包括一点火正时设定装置，它用于设定一主燃料被点燃的点火正时，它的范围在曲轴转角从到达压缩上止点前的10°至到达压缩上止点后的5°。
3.如权利要求2所述的排气升温系统，其特征在于，所述内燃机控制装置包括空燃比控制装置，它用来在燃烧主燃料时将空燃比的数值设定为等于或大于25。
4.如权利要求1所述的排气升温系统，其特征在于，所述内燃机控制装置包括空燃比控制装置，它用来在燃烧主燃料时将空燃比的数值设定为等于或大于35。
5.如权利要求1所述的排气升温系统，其特征在于，所述内燃机控制装置包括至少一个点火正时设定装置和一空燃比控制装置，并且，
所述内燃机控制装置将一主燃料被点燃的点火正时的数值控制在与当内燃机不在需要升高排气温度的工况点火正时相比的延迟侧，或者将有关主燃料的空燃比数值控制在与当内燃机不在需要升高排气温度的工况下空燃比相比的燃料稀薄侧。
6.如权利要求5所述的排气升温系统，其特征在于，当内燃机不在需要升高排气温度的工况下，内燃机以一吸气冲程稀薄模式进行运转，其中一目标空燃比被设定成与理论空燃比相比燃料较稀薄侧的第一空燃比，并且在吸气冲程中燃料主要从燃料喷射阀喷射，或者内燃机以压缩冲程稀薄模式进行运转，其中目标空燃比被设定成一在与所述第一空燃比相比燃料较稀薄侧上的第二空燃比，并且在压缩冲程中燃料主要从燃料喷射阀中喷射。
7.如权利要求1所述的排气升温系统，其特征在于，所述附加燃料控制装置设置的附加燃料喷射起动时间的数值范围是从曲柄轴转角压缩上止点后的70°至110°。
8.如权利要求1所述的排气升温系统，其特征在于，所述内燃机控制装置根据内燃机温度设定一有关主燃料的空燃比。
9.如权利要求1所述的排气升温系统，其特征在于，所述附加燃料控制装置设定一附加燃料喷射量，使得一从用于一个循环的总燃料喷射量和用于一循环的吸入空气量(即一主燃料喷射量和一附加燃料喷射量的总和)中计算出来的空燃比成为与一随着内燃机围绕着一适合于有效地升高排气温度的特定空燃比的工况而变化的目标空燃比相等。
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