CN1274406A - 直接喷射式发动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

直接喷射式发动机控制装置,发动机排气通路上设置催化剂,喷射器直接将燃料喷射到燃烧室内,在催化剂处于不受热状态,为减少HC,NOx及其他排放物的量,提高废气温度促进催化剂的快速起作用动作。它包括温度状态识别器和燃料喷射控制器。后者依前者的判断结果控制喷射器,使其进行分步喷射,包括后期喷射和早期喷射,都喷射对主燃烧过程有贡献的燃料,主燃烧过程是燃烧室内发生的10%至90%质量的被喷射燃料燃烧的过程。

Description

直接喷射式发动机的控制装置
本发明涉及一种具有喷射器能将燃料直接地喷射至燃烧室的直接喷射式发动机的控制装置。
具有喷射器能将燃料直接喷射至燃烧室的直接喷射式发动机已为公知。这种发动机的工作，通过在压缩冲程后半程由喷射器喷射所产生的分布于火花塞附近的混和体，使得在低负荷状态下实现所谓分层燃烧。这种工作过程使得能够在维持燃烧稳定性和改善燃料经济性的同时还提高空气燃料比率(稀混合气)。
现在迫切希望减少从发动机交通工具排放的废气，例如碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)及氮的氧化物(NOx)，尽可能减少这些有毒物质，以便改善排放物的性质。一种公知的做法是在排气通路上设置催化剂，实践当中也经常采用在直接喷射式发动机的废气通路中设置催化剂。一般公知的这类催化剂的例子是三元(three-way)催化剂，这种催化剂几乎能按理想配比的空气燃料比率清除HC、CO及NOx。另一个例子是为了适应在“贫稀”的工作条件下上述直接喷射式发动机或其他种类发动机的分层燃烧的要求，开发出一种即使在贫稀(lean)的工作条件下也能够清除NOx的催化剂。
例如，日本未审专利出版物特开平4-231645号中所揭示的燃料喷射控制装置，被公知为一种在低温状态下，此类直接喷射式发动机能够改善催化剂转换效率的装置。由于设在直接喷射式发动机废气通路上的这类弱NOx催化剂需要HC以减少NOx，因此控制装置被配置成，在压缩冲程的后半程由喷射器进行主喷射，在催化剂处于低温时，再在吸气冲程至压缩冲程前半程的期间内在主喷射基础上进行二次喷射，喷射少量燃料，以提供HC给弱NOx催化剂，或者是在催化剂处于高温时，在压缩冲程后半程至排气冲程前半程期间内在主喷射基础上进行前述二次喷射。在这种装置中，通过设定由二次喷射喷注的燃料量如此之小，以至几乎不影响燃烧室内的燃烧，从二次喷射喷注的燃料中抽出HC提供给设在废气通路上的弱NOx催化剂，还通过在低温或高温条件下以前述方式改变二次喷射的时间，在低温条件下将低沸点HC提供给弱NOx催化剂，而在高温条件下把高沸点HC提供给弱NOx催化剂。
当催化剂还没有被加热，其温度尚低于其活性温度时，用于废气转换的催化剂不能充分展现其转换效果。在此种情况下，会有大量HC和NOx被漏出。因此，就需要减少从发动机排放到废气通路的HC和NOx的量，例如在催化剂未被加热的状态下，通过提高废气温度，促进催化剂快速生效的动作。
然而，即使催化剂尚未被加热时通过在压缩冲程的喷射进行分层燃烧，以增加空气燃料比率的情况下，因为排放到废气通路的热量很少，上述直接喷射式发动机仍存在催化剂不易被加热的问题。
尽管上述出版物中揭示的装置通过在催化剂温度尚低时，尝试在压缩冲程的后半程进行主喷射，再在主喷射基础上进行二次喷射，实现在低温下改善催化剂的性能，但因二次喷射喷注的燃料量相当少，以至几乎没有在燃烧室内燃烧就被排放到废气通路中。因此，只有在使用为减少NOx所需的HC的弱NOx催化剂时，这种装置的优点才能显示出来。此外，只有在使催化剂已被活性化到一定程度(尽管一直处于低温状态)之后，通过加给HC，这种装置才能实现NOx转换的效果，由于HC在未被加热那一点之前就被排放，因此这种装置不适用于改善排放物的目的。而且，这种装置不具有通过提高废气温度，以促进催化剂快速起作用动作的功能。
另外一种处理直接喷射式发动机冷启动问题的办法有如日本未审专利出版物特开平4-187841号所揭示者，当汽缸内部温度尚低时，通过增加压缩冲程喷射燃料的量来维持可燃性。具体他说，在发动机处于预热状态下，控制发动机在低负荷状态下于压缩冲程期间进行喷射，在中度负荷状态下在接续的吸气冲程至压缩冲程期间分步喷射，在高负荷状态下在吸气冲程期间进行喷射。其中，在发动机一直处于凉的状态，把上述分步喷射的情况延长至高负荷时。
然而，这种装置通过在发动机凉的情况下使压缩冲程中喷射燃料的量增加得像对应于蒸发和雾化的损害那样多的，能够简单地维持可燃性，但是没有能力在催化剂一直处于不受热状态时，通过提高废气温度实现快速起作用动作及改善排放。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种直接喷射式发动机，在催化剂一直处于不受热状态下，能够减少发动机排放的排放物，如HC和NOx的量，并且通过提高废气的温度促进催化剂的快速起作用的动作，通过减少催化剂达到不受热状态以前所需时间，有效地实现排放，以及在催化剂仍处于不受热状态下，减少HC和其它排放物的量。
按照本发明，一种直接喷射式发动机的控制装置按如下方式控制所述发动机，在催化剂处于不受热，温度低于其活性温度且至少是发动机处于低负荷的状态下，从吸气冲程至点火时间这一期间内至少进行包括两个步骤的分开的喷射，此分步喷射包括在压缩冲程的中间或其后进行的后期喷射和先于后期喷射进行的早期喷射，并且后期喷射和早期喷射喷射的燃料都对主燃烧过程的主燃烧有贡献。这种控制操作保证了点火后的可燃性和燃烧稳定性，并且在催化剂还处于不受热状态下实行分开燃烧时，在燃烧周期的后半程产生缓慢燃烧。因此在催化剂一直处于不受热状态下，能够减少从燃烧室排放的废气中的HC和NOx，改善排放物，作为增加废气温度的结果，有效地促进催化剂快速起作用的动作。
下面结合附图进一步详细描述本发明的具体实施方式。
图1是表示本发明实施例的直接喷射式发动机的整体结构示意图；
图2是表示分步喷射的前期喷射和后期喷射的喷射点的示意图；
图3是表示控制操作举例的时间流程图；
图4是表示O2传感器的输出示意图；
图5是表示当实行空气燃料比率的反馈控制时，O2传感器输出的变化与相应的反馈修正系数变化关系示意图；
图6(a)～6(c)是表示直接喷射式发动机活塞变化的示意图；
图7是表示进行分步喷射和在吸气冲程实行一次喷射时，所观察到的燃烧的燃料质量比例变化的图线；
图8是表示进行分步喷射和一次喷射时观察到的火焰前端面积变化的图线，
图9是表示实行分步喷射的同时当以各种方式改变后期喷射时刻，以及实行一次喷射的同时以各种方式改变点火时刻延迟量的情况下，观察到的废气温度与燃料节省的比率之间关系的图线；
图10是当进行分步喷射和一次喷射时所得的(A)废气温度、(B)HC浓度、(C)NOx浓度、(D)发动机速度变动系数的图线；
图11是表示HC减少率、NOx减少率、废气温度以及装备发动机的运输工具的速度随时间的变化的图线；
图12是表示进行吸气冲程的一次喷射以及进行分步喷射时，点火时间与所显示的平均有效压力之关系示意图，
图13表示以各种方式改变拟由后期喷射喷射之燃料比例时，所观察到的Pi变化率及其他参数变化的图线；
图14是表示以各种方式改变后期喷射起始时刻时所观察到的Pi变化率及其它参数变化的图线。
图1表示一种直接喷射式发动机的实际举例。图中的标号1表示的是发动机主体1，它包括由气缸体2和气缸头3，其中形成多个气缸。活塞4配装在每个气缸中，活塞4的顶面和气缸头3的底面之间形成燃烧室5。
现在以一种特殊的方式说明它们的结构。气缸头3的底面形成有特殊形状的凹部，此凹部形成燃烧室5的上部内表面。例如，把燃烧室5的上部内表面制成如图所示的房顶状，开口于燃烧室5内的吸气口6和排气口7形成在它的上部内表面中。虽然图中只表示出一个吸气口6和一个排气口7，也可以用一个实施例的方式沿垂直于图面的方向分别设置两个吸气口6和两个排气口7。吸气阀8和排气阀9分别装在吸气口6和排气口7上。通过未予示出的阀门致动器的驱动，可使吸气阀8和排气阀9分别以指定的时间被打开或被关闭。
以如下方式将复数个火花塞10装入气缸头3内，即通过以火花缝隙伸入燃烧室5内，使得每个火花塞10几乎位于燃烧室5的正当中。
能将燃料直接地喷射至燃烧室5内的喷射器11被设置在燃烧室5的外周部分。在图1所示的实施例中，喷射器11被设置在燃烧室5的一侧靠近吸气口6处装在气缸头3上，而且喷射器11被设置成以其远端伸入到燃烧室5中而将燃料向下倾斜地喷射。
而且如图所示，在活塞4的顶面设置一呈U字型截面的凹腔12，构成燃烧室5的底部。事前确定喷射器11的位置与方向，凹腔12的位置及火花塞10的位置，使以如下方式满足特定的关系，即在每次压缩冲程的后半程(这时活塞4达到其上死点)使燃料从上述喷射器11射向凹腔12，再由凹腔12反方向弹回，实际上到达火花塞10附近。
高压泵13通过燃料供给通路14与上述喷射器11互相连接。高压泵13以及位于未示出的返回通路中的高压调节器互相配合，把使喷射器11动作的燃料压力调节到足够高，足以使燃料在压缩冲程的中间部分或之后被喷射。
吸气通路15和排气通路16与前述发动机主体1连接。吸气通路15分支波动槽156到各个汽缸的下流岔路，对每个汽缸形成互相平行地延伸的两个分支通路15a(图中只示出一个)。在分支通路15a的下游端，两个吸气口6开到燃烧室5内，作为湍流加强机构的旋转控制阀17被设置在这些分支通路15a中之一上。当旋转控制阀17关闭时，由另一分支通路15a吸入的空气在燃烧室5内产生涡流，使燃烧室5中的湍流得到加强。
作为可供选择的湍流加强机构，也可以用产生滚转的阀门代替上述旋转控制阀17，或者在活塞的顶面和燃烧室内部上顶面(气缸头的底面)之间接近压缩冲程的上死点中心设置压入机构。
另外在吸气通路15的中途设置有减速阀18，此减速阀18可用诸如步进电动机等的电驱动致动器19进行控制，从而容许控制吸气的空气量。
废气循环(EGR)通路(未图示)经EOR阀(未图示)与波动槽15b相连接，使得在完成发动机预热之后能够导入用于废气循环的气体。
另一方面，在排气通路16上设置有二氧化碳(CO2)传感器21和含有转换废气用的催化剂的催化转换器22。上述O2传感器21通过测量氧浓度探知在燃烧室内混合气中空气燃料比率，并且此传感器由其输出按理想配比的空气燃料比率变化O2传感器构成。
催化转换器22可以用三元催化剂(three-way catalyst)构成，正如下面将要述及的那样，为了在熄火后进行贫稀混合气充分压入燃烧时提高转换效率，最好使用即使在比理想配比的空气燃料比率还高的贫稀混合气情况下，也能够降低NOx含量的催化剂；所述贫稀混合气的空气燃料比率已被提高。具体他说，众所周知三元催化剂只在理想配比的空气燃料比例率下，对三种有毒气体HC、CO和NOx表现出较高的转换效率。因此，希望有一种催化剂，即弱NOx催化剂(lean NOx catalyst)，它不仅能起到三元催化剂的作用，而且在比理想配比空气燃料比率还高的贫稀混合气情况下也能减少NOx。于是，最好在贫稀工作情况下使用这种催化剂减少NOx，不过，这类弱NOx催化剂在理想配比空气燃料比率附近也表现出它的最大转换效率。
由于催化转换器22中含有弱NOx催化剂，如果把催化转换器22直接设置于废气汇流接头16a下游(或直接与之连接)，在高速、高负荷情况下，有可能使催化剂温度骤增。因此，将催化转换器22直接与接在废气汇流接头16a下游的排气管16b连接，使催化转换器22位于比紧靠废气汇流接头16a下游的位置更加远离发动机本体的位置。但是，当使用三元催化剂时，因为三元催化剂具有热阻特性，因此可以使催化转换器22直接与废气汇流接头16a连接。
由符号30表示的是进行发动机控制的电子控制器(ECU)。检测发动机曲轴转角的曲轴转角传感器23的输出信号，检测加速器开口(即加速器踏板的操作量)的加速传感器24的输出信号，检测吸入空气量的气流计25的输出信号，检测发动机冷却水温度的水温传感器26的输出信号及上述O2传感器21的输出信号等都被输入电子控制器30。
上记电子控制器30包括温度状态识别器31、负荷情况检测器32、喷射燃料控制器33、喷射燃料量计算器34、点火时间控制器35及发动机速度控制器36。
上述温度状态识别器31用于根据从上述水温传感器26反馈的温度检测信号评估催化剂的温度状态，并判断催化剂是否处于不受热状态，即其温度低于催化剂活性温度状态。如果水温低于第一设定温度，则温度状态识别器31判断催化剂处于不受热状态。如果水温高于第一设定温度，则温度状态识别器31判断催化剂处于受热状态。可以通过进行水温检测，根据自启动发动机那一时间点起所经过的时间的判断，或者直接检测催化剂的温度，来实现这种温度状态判断操作，用于确定催化剂起作用(light-off)的条件。
上述负荷条件检测器32根据来自曲轴转角传感器23的检测信号检测负荷的情况。
上述喷射燃料控制器33用于控制拟通过喷射驱动电路37从喷射器11喷射的喷射燃料时间及喷射燃料的量。当催化剂处于不受热状态时，喷射燃料控制器33控制喷射器11进行分步喷射，此分步喷射至少包括在发动机低负荷操作时从吸气冲程(intake stroke)至点火点的期间内的两个喷射周期，该二喷射周期包括在压缩冲程中期或后期进行的后期喷射循环和先于后期喷射的早期喷射循环。
这里的压缩冲程中期是指当将压缩冲程等分成三分，即早期、中期、后期时的中间部分。因此，压缩冲程中期部分是指曲轴转角从上死点中心前(BTDC)的120°至60°BTDC的期间。因此，后期喷射是在120°BTDC或之后引起的喷射。然而，因为如果后期喷射开始时刻太晚将损失燃烧稳定性(将在以下详细说明)，因此希望后期喷射最好在压缩冲程的四分之三以前开始(即不迟于45°BTDC)。
具体他说，后期喷射被设定成在压缩冲程上死点中心前120°至上死点中心前45°期间内开始，而早期喷射被设定成在吸气冲程期间，即的大约先于后期喷射时间期间内的适当时刻开始，如图2所示。
在这种当催化剂处于不受热状态时实行的分步喷射过程中，利用喷射燃料量计算器34计算喷射燃料的量，以使空气燃料比率落在所设定的13～17空气燃料比率内。然后，由上述喷射燃料控制器33按规定的比例划分拟喷射的燃料量，从而控制早期喷射和后期喷射的喷射燃料量。
在上述操作中，将早期喷射及后期喷射都控制成使喷射燃料对主燃烧循环期间内发生的主燃烧有贡献。通常，在燃烧室内发生的燃烧过程，把有大约10％质量的喷射燃料被燃烧的时间称为初始燃烧时间，而把有10％至90％质量的喷射燃料被燃烧的时间称为主燃烧时间。如以后还要说明的那样，由后期喷射喷注的燃料被点火并燃烧的初始燃烧是包括初始燃烧和主燃烧过程的早期部分的燃烧过程。按如下发生设定在分步喷射期间喷射的燃料量，即由早期喷射所喷射的燃料产生的混合气的空气燃料比率具有由燃烧室内的后期喷射所喷注的燃料的燃烧火焰扩散能力，以使早期喷射和后期喷射喷注的燃料对主燃烧的比例，以及由早期喷射所喷注的燃料产生的贫稀混合气体都被慢慢地燃烧。
特别是将喷射燃料的比例设定成，由早期喷射所得的燃烧室内的空气燃料比率只变成85％或更少，以达到后期喷射所喷注的燃料的燃烧产生的火焰具有火焰扩散能力的空气燃料比率。因此，使早期喷射喷注的燃料比例等于所喷射燃料总量的1/5或更多(也就是说，后期喷射所喷注的燃料比例为4/5或更少)。例如，如果整个燃烧室内的空气燃料比率是17，而由早期喷射所达到的燃烧室内的空气燃料比率只是85％，则拟由早期喷射喷注的燃料的比例是1/5。
还可使后期喷射喷注的燃料比例等于总喷射燃料量的1/5或更多(也就是说，早期喷射喷注的燃料的比例是4/5或更少)。这样，早期喷射喷注燃料的比例就落入1/5至4/5的范围。最好将由早期喷射喷注的燃料量设定成，由早期喷射所得的燃烧室内的空气燃料比率只变成等于或高于可燃烧性限制在上述范围内的空气燃料比率(也即可使混合气能够自身燃烧的空气燃料比率界限：接近30)。
最好在上述所述13～17范围以内将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成等于或略高于理想配比的空气燃料比率。前面已经提到的喷射数量计算器34以如下发生计算拟喷射的燃料量，就是根据O2传感器的输出，通过开环控制或反馈控制使整个燃烧室内的空气燃料比率与所设定的空气燃料比率相符，后面更详细地描述。
另外，上述点火时间控制器35向点火装置38输出控制信号并且根据发动机的运行情况控制点火时间。尽管实质上是将控制点火时间使最小的火花趋向最佳转矩(MBT)，但当催化剂处于不受热状态时，此小火花通常被延迟一定的量。
发动机速度控制器36控制吸入空气的量或点火点，例如，使发动机的空转速度成为：在催化剂处于不受热状态时比催化剂处于受热之后的空转速度要高。
电子控制器30(ECU)被构造成通过向驱动减速阀18的致动器19输出控制信号，以控制吸入空气的量。特别是在发动机处于理想配比空气燃料比率和高负荷运转情况下，例如当催化剂处于不受热状态时或者已经受热情况下，此电子控制器30根据加快器的开口控制减速阀18的开口。可是，在低负荷情况下，如熄火后，当通过只在压缩冲程中喷射燃料而使分层燃烧，电子控制器30(ECU)控制减速阀18打开，以造成吸入的空气量增加，并由此造成空气燃料比率增大。另外，电子控制器30(ECU)还控制上述旋转控制阀17在分步喷射状况下在燃烧室5内产生旋转。
下面参照图3的时间流程图描述直接喷射式发动机的控制操作实例。
图3中的点t1表示发动机启动运转的时间点。在发动机启动运转过程到达时间t1之前，例如，将空气燃料比率保持在比理想配比空气燃料比率低的水准(丰富混合气)，以保持启动转矩，并且仅在吸气冲程(吸气冲程喷射)使喷射器11喷射燃料。这样安排的理由是，如果在发动机启动期间进行的压缩冲程喷射燃料(压缩冲程喷射)，有可能引起不充分蒸发、雾化及由于火花塞被燃料濡湿可能引起的误引火。因此，希望利用吸气冲程喷射，以便能有时间使燃料蒸发或雾化。另外，将点火时间调整至最佳转矩(MBT)点。
当在发动机启动运转点t1以后催化剂处于不受热的状态时，进行分步喷射。具体地说，将喷射器11喷射的燃料分成两部分，即在吸气冲程进行的早期喷射和在压缩冲程的中间或者其后进行的后期喷射。图3所示例子中，把比例相等的燃料分配给早期喷射和后期喷射。
按照这种分步喷射模式，将整个燃烧室内的空气燃料比率设定在13～17范围以内。在图3所示的例子中，将紧接着发动机启动后的特定时间范围t1～t3内的空气燃料比率设定成比理想配比的空气燃料比率高的水平(贫稀混合气)，其中在催化剂处于不受热状态时，催化剂的温度在整个循环中相当地低。同时，根据O2传感器21被启动之前，通过开回环控制吸入的空气的量计算拟喷射的燃料的量，而当O2传感器21已被启动后，通过反馈控制，根据从针对“弱”空气燃料比率的时间t2时O2传感器21的输出，计算拟喷射的燃料的量。另外，在经过一段特定时间之后的时间t3，根据O2传感器21的输出，进行针对理想配比的空气燃料比率(λ＝1)的反馈控制。
进而，在催化剂处于不受热状态的同时将点火时间延迟。当催化剂温度增高时，同时使点火时件趋向MBT一侧(或取消所述延迟)，并取消上述分步喷射模式，利用某些时间的延迟进行这些转换操作，以减轻转矩的冲击。特别是由于点火时间延迟在节省燃料方面比上述分步喷射模式有更大的缺点(参见后面将述及的图10)，因此使点火时间进到时刻t4，这时催化剂的温度增高到某种程度，随后在催化剂受热之后的t5时，取消分步喷射摸式。
要说明的是，图3表示分层燃烧发动机的控制操作的实例，其中，燃料喷射模式和空气燃料比率是根据工作条件受到控制的，如果发动机处于低速、低负荷的状态，则使压缩冲程喷射转换成进行分层燃烧，同时使空气燃料比率增大(贫稀混合气)。再有，如果发动机处于高速或者高负荷段，则使吸气冲程喷射转换产生均匀燃烧。进而，当处于分层燃烧与均匀燃烧之间的中负荷段时，为防止转矩突然改变，有时也需要进行分步喷射的吸气冲程和压缩冲程。
发动机启动后，控制发动机的速度，使与按照发动机冷却水温度所设定的发动机空转速度匹配。通常，如图3的点线所示，在发动机启动后，紧接着发动机的速度会快速降至与冷却水温度对应的普通发动机的空转速度。然而，在本实施例中，通过发动机启动后尚未被加热时，马上修正发动机的目标速度，使发动机的速度被控制在高于与冷却水温度对应的普通发动机的空转速度，然后再使发动机速度逐渐地降至普通发动机的空转速度。按照上述方式，随着发动机速度在发动机启动后骤然增大，使燃烧稳定性得到加强，增大了点火时间延迟的限制。
以下参照图4和图5说明上述时间流程中所表示的控制操作中的燃料控制操作，在t2至t3的时间范围内，在贫弱条件下实行的反馈控制，而在时间t3或者其后实行的反馈控制。
如图4所示，上述O2传感器21的输出在理想配比的空气燃料比率λ＝1时突然改变。通常，在根据O2传感器21的输出进行的反馈控制中，通过改变P值和I值，使加给喷射燃料量的反馈修正系数可以改变，如图5所示，所述P值是比例常数、I值是积分常数，其中当O2传感器21的输出指示为丰富(rich)时，P值或l值中只有一个常数是沿着喷射燃料量减少的方向变化，相反当O2传感器21的输出指示为贫弱(lean)时，P值或l值中只有一个是沿着喷射燃料量增加的方向变化。另外，当O2传感器21的输出指示从丰富(ricn)转换成贫弱(lean)或者从贫弱(lean)转换成丰富(rich)时，将延迟时间TRL和TLR设定成容许颠倒的反馈修正系数。
在上述反馈控制的t2至t3时间范围内，通过调节延迟时间TRL使其大于延迟时间TLR，造成反馈修正系数平均值朝着喷射燃料量减少的方向移动，控制燃料喷射，得到位于理想配比空气燃料比率的贫弱(lean)一侧的特定的空气燃料比率。于是，使空气燃料比率被调节成向着理想配比空气燃料比率的贫弱(lean)一侧移动。类似地，也可以根据O2传感器21的输出指示是丰富(rich)状态抑或是贫弱(lean)状态，分清上述P值或I值，也可以进行类似的调节。
在自t3时刻开始的反馈控制操作中，根据所处的丰富(rich)或贫弱(lean)状态将延迟时间TRL和TLR调整为同样的设定值，以便进行将空气燃料比率调整到理想配比空气燃料比率的正常控制操作。
图1所描述的发动机结构是在活塞4的顶面设置成层结构的凹腔12，用于俘获喷射器11来的喷射燃料，并使之指向火花塞10。所谓的成层结构是指在压缩冲程的中段或者其后，将来自喷射器11的比较丰富(rich)的混合气喷射燃料分布在火花塞10附近。然而，本发明之装置不仅可用于上述类型的发动机(下称成层结构发动机)，而且还可用于直接喷射式发动机(下称非成层结构发动机)，比如可参照如图6(a)-6(c)所示的活塞41、42、43。
本说明书中的“平活塞”是指没有设置上述成层形式的凹腔12的活塞。因此，平活塞不只局限于如图6(a)所示的那些完全平顶面的平活塞，还包括那些如图6(b)-6(c)所示的具有足够长度的凹下或凸起顶面形状，从而得到燃烧室形状的凹顶面或凸顶面，但不具有成层结构的活塞。
即使将本发明的装置应用于上述非成层结构的发动机，也可以进行如图3所示的后期喷射控制和早期喷射控制。其中后期喷射控制是指在压缩冲程中段或者其后对未自喷射器11的喷射燃料的控制，早期喷射控制是指先于后期喷射(例如在吸气冲程中)的喷射控制。当催化剂被加热后，也可以在吸气冲程期间喷射燃料，以便产生均匀燃烧。在这种情况下，尽管可以控制喷射燃料在整个操作过程中产生λ＝1的均匀燃烧，也可以控制在低速、低负荷的范围内，产生空气燃料比率在贫弱(lean)状态下的均匀燃烧。
以下将说明本实施例所涉及的上述直接喷射式发动机的工作特点。如果催化剂在发动机启动时处于不受热状态，则将喷射器喷射的燃料分成两部分，也就是在吸气冲程期间的早期喷射和在压缩冲程中段或者其后的后期喷射，此时可控制喷射燃料量，以达到至少在低负荷状态下在整个燃烧室内产生一个近似等于或略高于理想配比空气燃料比率的空气燃料比率。
由于为了点火，蒸发、雾化及分散要求足够的时间，因此早期喷射所喷射的燃料要分散到整个燃烧室，并产生贫稀的但能进行燃火焰扩散混合气层。后期喷射所喷注的燃料产生有较低空气燃料比率的混合气，应至少存在于火花塞10的附近。特别是如图1所示的具有成层结构的发动机，造成由后期喷射所喷注的燃料大多集中在火花塞附近，其结果是在成层状态下得到具有等于或高于理想配比空气燃料比率的混合气。
在常数这种燃料供送的条件时，可以按所希望的形式使混合气点火并燃烧，因此可以减少发动机排放废气中的HC和NOx，从而可改善在催化剂处于不受热状态下废气的排放物，同时，还使废气的温度提高，从而可促进催化剂的快速起作用(light-off)动作。这些有益效果将参照图7至图14进行详细他说明。其中图7至图14的分步喷射是指有如上述实施例所示的在吸气冲程进行早期喷射，在压缩冲程进行后期喷射。
图7是在进行分步喷射和吸气冲程一次喷射(比较例)时，点火后被燃烧的燃料的质量比例变化的图线，其工作条件如下：
发动机速度                         1500rpm
制动平均有效压力(Pe)               294kPa
点火时间                           关于压缩冲程的上死点中心(TDC)
                                   延迟(其中MBT大约是10°BTDC)
如图7所示，在燃烧周期的后半段，分步喷射的燃烧慢于上述比较例，这意味着利用后燃烧，使分步喷射在提高废气温度方面有较大的效果。由于按照这种方式进行了充分的后燃烧，使催化剂的快速起作用(light-off)动作得到改善，并减少了HC。进而，如以下将要说明的实验数据所示，NOx也随之减少。之所以会发生此现象提出其原因如下。
当在压缩冲程的中段或者其后进行后期喷射时，至少在火花塞的附近存在空气燃料比率为λ＝1的混合气。例如，由于如图1所示的成层结构的发动机中，火花塞10附近存在丰富混合气层，保证了点火的稳定性和点火后的充分燃烧，因此提高了初始燃烧的点燃速度。
另外，由早期喷射所喷注的燃料被散发到整个燃烧室，产生贫稀混合气，与上述后期喷射过程产生的混合气的燃烧一样，由早期喷射喷注的燃料产生的火焰快速至所述贫稀混合气，并与后期喷射的部分丰富混合气混合，从而使贫稀混合气也被点燃。总结起来说，在主燃烧过程中，由后期喷射产生的混合气的点燃又连续不断地点燃主要是由早期喷射产生的贫稀混合气。由贫稀弱混合气的燃烧是一个缓慢的燃烧过程，因此有利于抑制产生NOx。
因此，可以认为随着废气温度的提高，改进了催化剂的快速起作用(light-off)动作，使HC被氧化，并使其减少。
上述现象还可在采用具有图6所示平活塞的非成层结构发动机中实现。特别是压缩冲程的中间或其后的后期喷射到点火的时间是如此之短，以致燃料不能够以完全均匀的形式被分散，因此即使不是层结构，在非成层结构发动机中也能产生相对较丰富的混合气和贫稀混合气随机地碰撞。由于丰富混合气可存在于火花塞附近，使点火和燃烧能以所希望之方式进行，并且由于早期喷射所喷注的喷射燃料可形成均匀的贫稀混合气，于是，火焰向着所述贫稀混合气并可缓慢地燃烧。
如图7所示，在分步喷射中，燃烧的早期被燃烧的燃料的质量比例较吸气冲程的一次喷射上升得要快，这表明分步喷射的燃烧稳定性较高。例如，当使分步喷射中喷射的燃料量少，而且分层程度相对比较低时，在图6所示的采用平活塞的非成层结构发动机或图1所示的成层结构发动机中，这种现象被明显地观察到。以下解释为什么会产生这种现象。
由于在上述非成层结构发动机中利用后期喷射会产生比较丰富混合气和比较贫稀混合气的彼此随机碰撞，因此火焰快速速度变得不平稳无规则，并且在火焰快速过程中，火焰的前端会形成突起。由于以上的不平稳无规则，使火焰的表面面积变大，这样可促进燃烧过程的早期燃烧。
在成层结构发动机中，从后期喷射至点火的时间是如此之短，使后期喷射所喷注的燃料产生的混合气分布在火花塞附近，而且由于即使是在分布范围内，混合气的空气燃料比率的分布也不均匀，当层结构程度相对比较低时，在火花塞附近存在有比较丰富的混合气和比较贫稀的混合气。这里假设燃烧的早期部分因火焰快速速度变得不平稳无规则，使火焰燃烧的表面积增大。
由于当有如上述那样使燃烧稳定性被加强时，就能够增加点火时间延迟的量，因此就能通过延迟点火时间进一步提高废气温度，因而除上述利用后燃烧提高废气温度外，还可加强所述快速起作用动作的效果，并减少HC及其他排放物。
图8表示当比较分步喷射和吸气冲程的一次喷射，以评价分步喷射效果时，从点火点观察到的火焰表面面积(或火焰前端面积)与曲轴角度之间的关系图线。有如从图中可以看到的那样，通过比较分步喷射和吸气冲程的一次喷射，分步喷射的火焰前端面积快速增大，并且燃烧稳定性被增强。
图9是表示当以从MBT点到吸气冲程一次喷射中的延迟侧的点火时间变化和以对分步喷射中的MBT点设定的点火时间修改后喷射时间时，观察到的燃料的经济比率与废气温度与之间关系图线。这里所用工作条件是：发动机速度为1500rpm，制动平均有效压力(Pe)为294kPa。如图9所示，当采用吸气冲程一次喷射时，随着喷射时间逐渐延迟，废气温度提高，并且燃料的经济比率恶化。另一方面，当采用分步喷射时，关于压缩冲程的后喷射时间从大约90°BTDC(上死点中心之前)逐渐延迟时，也会出现废气温度提高，并且燃料的经济比率恶化现象。
中心情况的比较表明，在同样的废气温度下，采用分步喷射时燃料的经济比率下降(例如，当从吸气冲程一次喷射的MBT点延迟喷射时间时，废气温度上升60℃)。归纳起来，在维持几乎同样的燃料经济比率情况下，通过延迟分步喷射的点火时间，可以较吸气冲程一次喷射能够更进一步提高废气温度。更进一步地说，当进行分步喷射时，如果延迟点火时间，将能使废气温度得到更进一步地提高。
图10表示通过将延迟吸气冲程一次喷射点火时间的比较例与本发明的延迟分步喷射点火时间的实施例互相比较而得到的废气温度、从燃烧室排放的废气中HC和NOx所占浓度及发动机速度变动系数ΔKPM(标准偏差)的测量结果图线。此实验是通过对以上两个实例，在发动机速度为1500rpm、低负荷并且具有相等的燃料燃烧量条件下，调整点火时间延迟量(在两个例子中点火时间被延迟至TDC为止)来进行实验的。如从该图所看到的，在具有相等的燃料燃烧量、相同的运行条件下，采用本发明的分步喷射与比较例相比，废气温度得到显著地提高，HC和NOx所占浓度进一步降低，发动机速度变动系数ΔKPM进一步减小。
废气温度的提高、HC所占浓度降低的理由可以解释为，在燃烧的后半程，由于分步喷射燃烧缓慢，由早期喷射所喷注的燃料产生贫稀混合气的燃烧是一个缓慢的燃烧过程，由于燃烧过程早期部分的促进燃烧已使燃烧稳定性被加强，因而使NOx降低。
图11表示采用一次喷射和分步喷射时，HC减少率、NOx减少率、废气温度，以及装有喷射发动机的运输工具的速度随时间的变化的测试结果。从图中可以看出，采用本发明的分步喷射与吸气冲程一次喷射相比较，废气温度以加速的方式提高，其结果使HC减少率、NOx减少率降到50％所需要的时间分别得到显著地减少(分别用ta和tb表示)。
图12是表示采用分步喷射和吸气冲程一次喷射时，点火时间与所显示的平均有效压力之间关系的图线。从图中可以看出，尽管在点火时间被延迟时所显示的平均有效压力(扭矩)减少，但是分步喷射时的减少比例较吸气冲程一次喷射时的减少比例要小。
从以上所示的比较资料可以看出，根据本实施例，由于从发动机中被排放的废气中的NOx、HC的含量降低，带来排放物的改善和催化剂快速起作用(light-off)动作的提高，其结果是在催化剂处于不受热状态下，通过采用分步喷射提高了废气温度。而且，与一次喷射所引起的点火时间的大量延迟相比，本发明在燃烧稳定性和燃烧的经济比率方面有所提高。
下面参照图13和图14详细说明在后期喷射和早期喷射时，最合适的喷射燃料比率范围，及最合适的后期喷射时间的范围。
图13表示在后期喷射时所喷射的燃料比率(或者是由后期喷射所喷射的燃料数量与由早期喷射所喷射的燃料数量之比)与Pi(所显示的平均有效压力)变化率、废气温度、燃料效率、HC排放量及NOx排放量之间关系图线。这里所使用的运行条件是：发动机速度为1500rpm，制动平均有效压力(Pe)为294kPa，发动机冷却温度为40.0℃，其中，点火时间被延迟到压缩冲程上死点中心(TDC)。从图中可以看出，当由后期喷射所喷射的燃料比率小于20％(1/5)时，废气温度的提高效果及HC和NOx的减少效果不是很明显。当由后期喷射所喷射的燃料比率成为等于或者大于20％(1/5)时，废气温度的提高效果及HC和NOx的减少效果随着由后期喷射所喷射的燃料比率的增加而提高，而且Pi变化率及燃料的经济比率也提高。但是，当由后期喷射所喷射的燃料比率达到超过80％时，Pi变化率超出其可容许的水准，会损失燃烧稳定性。
因此，为了维持燃烧稳定性和正常运转，并且还要保证废气温度的提高效果和HC和NOx的减少效果，最好将由后期喷射所喷射的燃料比率保持在20％至80％(1/5到4/5)之间。当满足以上要求时，由早期喷射所喷射的燃料比率就落在4/5至1/5范围以内。另外，废气温度的提高效果和HC和NOx的减少效果随着由后期喷射所喷射的燃料比率的增加，也就是说随着由早期喷射所喷射的燃料比率的减少，一直到这些比例落在上述范围内时，上述效果变大。如果将由早期喷射所喷射燃料的量设定成很低，使得只由早期喷射所喷注的燃料在燃烧室内的空气燃料比率等于或者高于可燃性空气燃料比率的限度(大约为30)，这样由早期喷射所产生的混合气变成非常贫稀(lean)。由于这种贫稀混合气燃烧得很慢，拖延了燃烧周期后半程的燃烧，因此能够得到充分的废气温度提高效果及HC和NOx的减少效果。
另外，如果将由后期喷射所喷注的燃料量设定成小于由早期喷射所喷注的燃料量(就后期喷射所喷注的燃料比例小于50％而论)，则可增强燃烧稳定性并减少燃料消耗。另一方面，如果将由后期喷射所喷注的燃料量设定成大于由早期喷射所喷注的燃料量(就后期喷射所喷注的燃料比例大于50％而论)，则可增强废气温度增加效果及HC和NOx的减少效果。
在极低的负荷范围内，如空转，供给燃烧室的燃料的量很少，与喷射燃料分割量对应的喷射脉冲幅度(或决定喷射器阀门打开时间的脉冲幅度)，趋于一个最小的可控制的喷射脉冲幅度。因此，如果由早期喷射所喷注的燃料量设定成不同于由后期喷射所喷注的燃料量，就有可能出现使喷射很少燃料量的喷射脉冲幅度变成比最小的喷射脉冲幅度还小，很难控制喷射燃料的量。在这种情况下，最好使由早期喷射所喷注的燃料量等于由后期喷射所喷注的燃料量(由后期喷射所产生的燃料量是50％)。
图14表示后期喷射开始时间与Pi变化率和废气温度之间的关系图线。这里所用的运行条件是：发动机速度为1500rpm，制动平均有效压力(Pe)为294kPa，发动机冷却温度为40.0℃，其中点火时间被延迟至压缩冲程上死点中心(TDC)。从图中可以看出，当后期喷射开始点超前120°BTDC时，几乎没有得到废气温度提高的效果。当后期喷射开始点迟于120°BTDC时，才能得到提高废气温度的效果。然而，当Pi变化率增加，并且后期喷射开始点迟于60°BTDC时，Pi变化率超出其容许水准，并且会损失燃烧稳定性。
在点火时间延迟至TDC时，如果将后期喷射开始点设定在120°BTDC至60°BTDC范围内，则能够给燃料提供适当的蒸发和雾化时间，其结果是在保证燃料燃烧稳定性的同时也能获得废气温度提高的效果。因为如果后期喷射的开始点不延迟到TDC，就能够获得废气温度提高的效果，因此可以将后期喷射开始点设定在120°BTDC至45°BTDC范围内。
在供给燃烧室的燃料量非常少负荷相当低的情况下，从蒸发和雾化的现点出发，在维持后期喷射开始时间不迟于45°BTDC范围以内可以充分地延迟点火时间。
此外，如果当由后期喷射所喷注的燃料量相对比较少时，在保证燃料喷射开始点位于TDC以外的同时，后期喷射开始点也可以设定在120°BTDC至45°BTDC范围内。
根据图1所示的结构和图3所示的控制操作时间流程，以下将要说明有可能获得更加显著的操作特性和效果。
当图1所示的旋转控制阀17在催化剂处于不受热状态，至少是低负荷状态下被关闭时，燃烧室5内产生涡流，因此增强了燃烧室5内的湍流。由于设置旋转控制阀17作为湍流加强机构，在催化剂不受热，至少是低负荷的状态下，通过引入本发明的分步喷射增强燃烧室5内的湍流，从而使燃烧稳定性增加。由于增加了点火时间延迟的极限，使后期喷射开始点被延迟很多，从而可促进分步喷射的快速起作用(light-off)动作，进一步促进催化剂的快速起作用(light-off)动作，在抑制Pi变化率增加的同时，能够维持燃烧的稳定性。
图3所示的控制操作时间流程中，在催化剂处于不受热、温度相当低的时间范围(t1至t3)内，为了减少废气中的HC和其他排放物质，将空气燃料比率设定成“贫弱(lean)”的水准。当将空气燃料比率设定成如上所述“贫弱”的水准时，由于存在很多的氧气，就使由分步喷射所喷射的燃料能够进行充分的后燃烧，并且有利于快速起作用(light-off)动作。当催化剂温度达到一定程度，变成多少有些起作用但是仍未受热的状态下，从特定的时间点t3起，将空气燃料比率设定成理想配比空气燃料比率(λ＝1)。结果，通过催化剂的转换作用降低了NOx和HC，利用其反作用也提高了催化剂的快速起作用(light-off)动作。
空气燃料比率控制操作的模式并不限于所述的实施例。例如，可以在催化剂不受热的指定时间范围内，将空气燃料比率设定成相对于理想配比空气燃料比率“更贫弱(leaner)”的水准，但不超过17，或者控制空气燃料比率，使其从发动机启动后的某一点起，与理想配比空气燃料比率相谐调。
还是在图3中，在催化剂不受热的状态下，由于引入快速起作用(light-off)动作的分步喷射，并延迟点火时间，可以帮助降低当撤去此控制操作时所引起的转矩摆动，并提高燃烧效率。当催化剂温度已经提高后，调整点火时间趋向MBT一侧，然后撤去上述分步喷射，然而，这种过程也可以变成比如使点火时间朝前进展，与撤去分步喷射同时进行。
在催化剂处于不受热的状态下，分步喷射的早期喷射点不一定非被限制在吸气冲程期间，也可以是在吸气冲程或者在吸气冲程之后但前于后期喷射的任意一时间。例如，早期喷射可以在压缩冲程的前半程进行。
因此以特定实例的方法描述本发明有以下的特点和优点。
按照本发明的一个方面，一种直接喷射式发动机控制装置，具有安装在排气通路上的催化剂，用于转换废气；和用于直接将燃料喷射到燃烧室内的喷射器，其特征是还包括用于判断催化剂温度状态的温度状态识别器；用于控制喷射器喷射燃料的燃料喷射控制器；其中所述燃料喷射控制器根据温度状态识别器的判断结果控制所述喷射器，使喷射器至少在催化剂处于不受热其温度低于活性温度且发动机处于低负荷的状态下，从吸气冲程至点火点期间内至少进行包括两个步骤的分步喷射，所述分步喷射包括在压缩冲程的中段或者其后进行的后期喷射和至少先于后期喷射进行的早期喷射，无论是后期喷射还是早期喷射在主燃烧过程中都喷射对主燃烧过程有贡献的燃料，所述主燃烧过程是10％至90％质量的被喷射燃料在燃烧室内燃烧的过程。
根据发明的此特征、喷射器至少在催化剂不受热、发动机处于低负荷的状态下进行分步喷射。后期喷射循环在压缩冲程的中间或者其后进行，在产生丰富混合气的混合层内引起不规则性。因为相对比较丰富混合气分散或局部分布在火花塞附近，使点火后的点火性和燃烧稳定性得到增强，而且由于早期喷射形成的均匀贫稀混合气的存在，使燃烧期间的后半部分的燃烧速度变慢并一直持续到较后的时间。由于燃烧循环后半部的缓慢燃烧(被称为后燃烧)，可以减少从燃烧室排放的废气中的HC和NOx含量，因此在催化剂处于不受热状态下对排放物成分有所改善，并提高废气温度，从而显著地促进了催化剂的快速起作用(light-off)动作。
根据本发明的另一方面，一种直接喷射式发动机控制装置，具有安装在排气通路上用于变换废气的催化剂，喷射器直接将燃料喷射到燃烧室内，其特征是包括用于判断催化剂温度状态的温度状态识别器；用于控制喷射器喷射燃料的燃料喷射控制器；其中所述燃料喷射控制器根据温度状态识别器的判断结果控制所述喷射器，使喷射器从吸气冲程至点火点期间内至少进行包括在压缩冲程的中间或之后进行的后期喷射和先于后期喷射进行的早期喷射的包括两个步骤的分步喷射，而不管发动机是否已被加热，但催化剂处于未受热且其温度低于活性温度的状态。
根据本发明的这一特征，在催化剂还处于不受热状态而不管发动机是否已被加热，利用分步喷射能够达到增强点火性和燃烧稳定性。另外，由于后燃烧可以得到提高废气温度的效果，从而在催化剂处于不受热状态下改善排放物的成分，并显著地促进催化剂的快速起作用(light-off)动作。
在本发明的上述形式中，在催化剂处于不受热状态下，设定由分步喷射的早期喷射所喷注燃料的量，使得能够产生一种贫稀混合气，此贫稀混合气的空气燃料比率高于理想配比空气燃料比率，并且至少能够由后期喷射所喷注的燃料和燃烧室内的燃料进行火焰扩散。
上述能够由早期喷射期间喷注的燃料和由早期喷射期间在燃烧室内产生的它的燃烧能够火焰扩散的空气燃料比率只应设定为85或更低。
更具体他说、最好是在催化剂不受热状态下设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，设定早期喷射的喷射燃料量，使其占被喷射燃料总量的大约1/5或以上，使得只由早期喷射在燃烧室内达到的空气燃料比率被设定为等于或者高于点火极限的空气燃料比率。另外，最好设定后期喷射的喷射燃料量，使其占被喷射燃料总量的大约1/5或以上。
采用这样的安排，可充分满足后期喷射的点火和持续燃烧，并且利用火焰扩散，使由早期喷射所喷注的燃料燃烧，由后期喷射所产生的燃料和燃烧室内的燃料被点燃而燃烧。由于在此方式中采用后燃烧，因此可以得到减少HC和NOx及其他排放物的效果，提高废气温度，从而促进催化剂的扩散起作用(light-off)动作。
之所以要将空气燃料比率设定在13至17范围以内的理由是，因为在这一空气燃料比率范围内可以得到高的放热放率，而且还能使用可提高废气温度的空气燃料比率。此外，还可防止从燃烧室内排放的废气中的NOx排放物的增加，通过设定早期喷射的燃料喷射量，使其为被喷射燃料总量的大约1/5或以上，可以得到提高废气温度的效果。而且，为了保证燃烧的稳定性，有必要将后期喷射的燃料喷射量设定在使其占被喷射燃料总量的大约1/5或以上(即早期喷射的燃料喷射量占被喷射燃料总量的大约4/5或以下)。
以上所述的燃料总喷射量是指从吸气冲程至点火点期间被喷射燃料的总量。
在分步喷射中，早期喷射所喷射的燃料量和后期喷射所喷射的燃料量之间存在这样一种关系，即如果使早期喷射所喷射的燃料量少于后期喷射所喷射的燃料量，则可增强提高废气温度的效果。
另外，还可以在催化剂处于不受热状态下，使分步喷射的早期喷射所喷射的燃料量大于后期喷射所喷射的燃料量，选择这种设定有利于提高燃烧稳定性。
另外一种可供选择的例子是在催化剂处于不受热状态下，使分步喷射的早期喷射所喷射的燃料量与后期喷射所喷射的燃料量互相相等。特别是在负荷极低的情况下，如空转，供给燃烧室的燃料量很少，与喷射燃料分割量对应的喷射脉冲幅度趋于一个最小的可控制的喷射脉冲幅度(最小喷射脉冲幅度)。因此，如果将由早期喷射所喷注的燃料量设定成不同于由后期喷射所喷注的燃料量，存在使喷射很少量燃料的喷射脉冲幅度变成比最小喷射脉冲幅度还小的可能性，则最好将早期喷射所喷注的燃料量设定成等于由后期喷射所喷注的燃料量。
本发明的上述控制装置中，在催化剂处于不受热状态下，希望后期喷射最好在分步喷射的压缩冲程经过期间的4分之3以前开始。这是因为如果后期喷射开始时刻太晚，将引起转矩摆动率的增加，而且损失燃烧稳定性。
如果能够提供一个点火时间控制器，在催化剂处于不受热状态下，使点火时间延迟超过最佳转矩(MBT)一定的量，就可以通过延迟点火时间得到提高废气温度的效果。特别是使延迟点火时间与分步喷射互相配合，更能够保证燃烧稳定性，产生快速起作用的动作(light-off)的协同效果。
在上述延迟点火时间的方式中，在催化剂处于不受热状态下，如果使分步喷射的后期喷射在压缩冲程经过期间的中间以前就开始，会更具优点。换句话说，如果在延迟点火点以外再延迟后期喷射开始点，则将引起转矩摆动率的增加，并损失燃烧稳定性。
再有，在催化剂不受热时采用分步喷射和点火时间延迟以后，当催化剂温度已被提高后，可以取消上述分步喷射，并按此顺序使点火点趋向MBT一侧进展，或者按相反次序进行。在此实施方式下，通过以一定的时间偏离取消分步喷射并使点火点趋向MBT一侧进展，可以减少由于顺序这种撤去操作所引起的转矩摆动。
然而，最好是采用分步喷射使催化剂温度提高后，首先执行使点火时间趋向MBT一侧进展，并在催化剂处于不受热时执行延迟点火时间。这是因为如果首先执行取消分步喷射的操作，则可能由于点火时间的延迟，会引起燃烧稳定性的恶化。
一种办法是，在催化剂还处于不受热时进行分步喷射和点火时间延迟之后，取消分步喷射后，立刻使点火时间趋向MBT一侧进展。
由于如果取消分步喷射，由于点火时间的延迟会引起燃烧稳定性的恶化，因此在撤去分步喷射后，马上执行使点火时间趋向MBT一侧进展。
本发明中，如果在催化剂处于不受热状态下，将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成近似于理想配比空气燃料比率，就可以得到足够的废气温度增加效果，而且即使催化剂没有达到完全被加热只要达到一定的活化程度，就开始发挥催化剂的转换效果。
在催化剂处于不受热时，如果设置O2传感器和喷射量计算器就可以实现对空气燃料比率的适当控制，其中所述O2传感器的输出在理想配比空气燃料比率的变化值，而所述喷射量计算器根据O2传感器活性化后的输出，通过反馈控制计算使空气燃料比率与理想配比空气燃料比率趋向一致的被喷射燃料的量。
在催化剂处于不受热状态下，可以将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成较理想配比空气燃料比率贫弱些的范围内，但是不超过17。在催化剂处于不受热状态下，如果将空气燃料比率设定在多少有些贫弱的水准，则将对减少从发动机排放的废气中的HC及NOx不利。
为此，本发明的控制装置最好包括O2传感器，它的输出按理想配比空气燃料比率处变化；喷射量计算器，在催化剂处于不受热状态下，它根据O2传感器启动后的输出，通过反馈控制，计算使空气燃料比率与理想配比空气燃料比率趋向一致的被喷射的燃料量；其中所述喷射量计算器通过调整当反转O2传感器输出时所引起的控制量变化的延迟时间、比例系数及积分系数当中之一，将空气燃料比率设定在偏离理想配比空气燃料比率贫弱的一侧。
根据此结构，即使在催化剂处于不受热非常贫弱的状态下，利用O2传感器(一种其输出按理想配比空气燃料比率变化的O2传感器)也能够进行有效的反馈控制。采用O2传感器的优点在于在催化剂被加热后，按理想配比空气燃料比率实行反馈控制。
在催化剂处于不受热状态，使整个燃烧室内的空气燃料比率被控制在较理想配比空气燃料比率贫弱时，其优点在于，随着催化剂温度的提高，空气燃料比率从较理想配比空气燃料比率贫弱的一侧变成较理想配比空气燃料比率丰富的一侧。例如，在催化剂被加热，其温度已经达到接近活性化温度时，如果将空气燃料比率从贫弱一侧变成丰富的一侧，或者使其与理想配比空气燃料比率相符，其优点在于，发挥催化剂的转换效果，进一步促进催化剂的快速起作用(light-off)动作。
按照本发明的又一方面，一种直接喷射式发动机控制装置，具有安装在排气通路上用于变换废气的催化剂和用于直接将燃料喷射到燃烧室内的喷射器，其特征是包括用于判断催化剂温度状态的温度状态识别器；用于控制喷射器喷射燃料的燃料喷射控制器；其中所述燃料喷射控制器控制所述喷射器，使喷射器在催化剂不受热其温度低于活性温度时，执行包括在吸气冲程进行的早期喷射和在压缩冲程中间或者其后但是不迟于上死点中心前45°开始的后期喷射在内的两个步骤的分步喷射；设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，设定早期喷射的喷射燃料量，使其占被喷射燃料总量的大约1/5至4/5。
根据本发明的这一方面，在催化剂不受热状态下，设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，因此能够利用此空气燃料比率提供适合于提高废气温度的高热量释放率。再有，由于设定早期喷射的喷射燃料量，使其为被喷射燃料总量的大约1/5或者以上，可以防止从燃烧室排放的废气中NOx的增多，提高废气的温度。另外，由于设定早期喷射的燃料喷射量为被喷射燃料总量的大约4/5或者以下，因此还可以保证燃烧的稳定性。由于在吸气冲程期间设定早期喷射燃料的比例为总喷射量的1/5至4/5，总的燃料输入的其余部分在压缩冲程的中间或者其后喷射，可充分满足点火和持续燃烧及在燃烧期间后半部分的缓慢燃烧。于是，可以得到减少HC和NOx及其他排放物的效果，提高废气温度，从而促进催化剂的快速起作用(light-off)动作。
本发明的上述控制装置，在催化剂不输入时，分步喷射的后期喷射的开始点应该不迟于压缩冲程的上死点中心前45°，最好在120°BTDC至45°BTDC范围内。如果开始时间迟于上述范围，则燃烧稳定性发生异常变化，相反如果开始时间先于上述范围，则不可能充分地产生混合气的不规则碰撞。
在催化剂不输入的状态下，由分步喷射的早期喷射所喷射的燃料量应该能够产生高于理想配比空气燃料比率的贫稀混合气，特别为获得对后期喷射产生的火焰具有火焰扩散能力的空气燃料比率，将喷射燃料的比例设定成在燃烧室内只由早期喷射所喷注的燃料的空气燃料比率变成85％或更少。
在负荷极低的情况下，如空转，供给燃烧室的燃料量很少，与喷射燃料分割量对应的喷射脉冲幅度趋于一个最小的可控制的喷射脉冲幅度(最小喷射脉冲幅度)。因此，如果将早期喷射所喷注的燃料量设定成不同于后期喷射所喷注的燃料量，就会出现使喷射很少燃料量的喷射脉冲幅度变成比最小的喷射脉冲幅度还小的可能性，所以最好设定使早期喷射所喷注的燃料量等于后期喷射所喷注的燃料量。
在催化剂已经达到加热状态，并且温度已经变成等于或者高于其活性温度时，这种类型的发动机控制装置通常控制喷射器的喷射燃料模式，使其被转换成吸气冲程喷射或压缩冲程喷射。
如果本发明的控制装置还设置点火时间控制器，此点火时间控制器用于在催化剂处于不受热状态下，当采用分步喷射时，将趋向最佳转矩(MBT)的小火花的点火时间延迟一定的量，则可以增强所述快速起作用(light-off)动作的效果。这种情况下，最好在催化剂不受热、采用分步喷射时，延迟所述点火时间至距MBT一个指定量，然后随着催化剂温度的增加，使此点火时间趋向MBT一侧进展。
按照本发明，在催化剂处于不受热状态下，将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成为等于或者高于理想配比空气燃料比率，因此能够得到减少HC和NOx，促进催化剂的快速起作用(light-off)动作的空气燃料比率的优点。
如果在催化剂处于不受热状态下，提供O2传感器，它的输出按理想配比空气燃料比率变化；喷射量计算器，它根据O2传感器被启动后的输出，通过反馈控制，计算使空气燃料比率与理想配比空气燃料比率趋向一致的被喷射的燃料的量，则能够得到优点在于减少HC和NOx，促进催化剂的快速起作用(light-off)动作的空气燃料比率。
上述控制装置还包括：O2传感器，它的输出按理想配比空气燃料比率处变化；喷射量计算器，在催化剂处于不受热状态下，它根据O2传感器被启动后的输出，通过反馈控制，计算使空气燃料比率与理想配比空气燃料比率趋向一致的被喷射的燃料量；其中所述喷射量计算器通过调整在反转O2传感器输出时引起控制量变化的延迟时间、比例系数及积分系数中的至少一个，将空气燃料比率设定在偏离理想配比空气燃料比率贫弱的一侧。
此控制装置可以在催化剂处于不受热状态下，将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成高于理想配比空气燃料比率；然后随着催化剂温度的增加，空气燃料比率变成偏向理想配比空气燃料比率丰富的一侧。
本发明的控制装置还包括湍流加强器，在催化剂处于不受热状态下，用于加强燃烧室内湍流作用。在这种结构中，引入本发明的分步喷射，通过增强在燃烧室5内的湍流，使燃烧稳定性增加，点火时间延迟的极限也有所增加，因此可进一步提高催化剂的快速起作用(light-off)动作。
此外，还可以提供一个发动机速度控制器，用于控制发动机使其在催化剂不受热时的空转速度高于催化剂被加热后的空转速度。由于在进行分步喷射时发动机的速度变快，可以增加燃烧稳定性及点火时间延迟的极限，因此可进一步提高催化剂的快速起作用(light-off)动作。
按照本发明的再一方面，还提供一种直接喷射式发动机控制装置，具有安装在排气通路上用于变换废气的催化剂，喷射器直接将燃料喷射到燃烧室内，还包括用于判断催化剂温度状态的温度状态识别器；用于检测负荷条件的负荷条件检测器；其中燃料喷射控制器根据温度状态识别器的判断结果和负荷条件检测器的检测结果控制所述喷射器；在催化剂温度等于或高于其活性温度状态下，让喷射器在压缩冲程喷射燃料，使发动机在低负荷时进行分层燃烧，在吸气冲程喷射燃料，使发动机在高负荷时进行均匀燃烧；在催化剂不受热、其温度低于活性温度时，至少在发动机处于低负荷的状态下，使喷射器执行包括在吸气冲程进行的早期喷射和在压缩冲程中间或者其后但是不迟于上死点中心前45°开始进行后期喷射在内的两个步骤的分步喷射；设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，设定早期喷射的喷射燃料量，使其为分步喷射总喷射量的大约1/5至4/5。
按照这种结构，在催化剂不受热状态下，可以获得快速起作用(light-off)动作，并且减少废气中HC和NOx的效果，根据运转条件，在催化剂已经被加热后，有助于分层燃烧和均匀燃烧。
根据本发明的再一方面，还提供运转直接喷射式发动机控制装置，具有安装在排气通路上用于变换废气的催化剂，喷射器直接将燃料喷射到燃烧室内，其中还包括用于判断催化剂温度状态的温度状态识别器；根据温度状态识别器的判断结果控制上述喷射器的燃料喷射控制器；在催化剂已被加热、其温度等于或者高于活性温度时，让喷射器在压缩冲程喷射燃料，使发动机进行均匀燃烧；在催化剂不受热、其温度低于活性温度时，至少在发动机处于低负荷的状态下，使喷射器执行包括在吸气冲程期间进行的早期喷射和在压缩冲程的中间或者其后但是不迟于上死点中心前45°开始进行后期喷射在内的两个步骤的分步喷射；设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，设定在早期喷射中被喷射的燃料量，使其为分步喷射总喷射量的大约1/5至4/5。
根据本发明的这一方面，在催化剂不受热状态下，可以获得快速起作用(light-off)动作，并且减少废气当中HC和NOx的效果，根据运转条件，在催化剂已经被加热后，有助于分层燃烧和均匀燃烧。
上述控制装置还包括点火时间控制器，用于将趋向最佳转矩(MBT)的小火花的点火时间延迟一定的量。
此外，最好在催化剂不受热状态下，将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成等于或者高于理想配比空气燃料比率。
进而，上述控制装置还包括O2传感器，它的输出按理想配比空气燃料比率变化；喷射量计算器，它在催化剂处于不受热状态下，根据O2传感器被启动后的输出，通过反馈控制，计算使空气燃料比率与理想配比空气燃料比率趋向一致的被喷射的燃料量。
通过以上的介绍可以看出，本发明在催化剂不受热的状态下，有助于减少从燃烧室中排放的废气中HC和NOx的含量，改善排放物，从而可提高废气温度，结果可进一步提高催化剂的快速起作用(light-off)动作。此发明尤其适合应用于诸如设在电机运输装置上的直接喷射式发动机。
权利要求书
按照条约第19条的修改
料进行火焰扩散；而且比理想配比空气燃料比率高的贫稀空气燃料比率能够由后期喷射期间喷注的燃料进行火焰扩散，由早期喷射在燃烧室内所产生的燃烧，它被设定为85或更小。
5.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态下，使分步喷射的早期喷射所喷射的燃料量和后期喷射所喷射的燃料量彼此相等。
6.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂已经达到受热状态并且温度已经变成等于或者高于其活性温度时，将喷射器喷射燃料的模式转换成吸气冲程喷射或压缩冲程喷射。
7.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括点火时间控制器，用于通过在催化剂处于不受热状态下，实行分步喷射时，延迟点火时间距最小的火花一定的量，趋于最佳转矩(MBT)。
8.一种如权利要求7所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态，使点火时间被延迟至距MBT一定量，然后随着催化剂温度的增加，使点火时间趋于MBT。
9.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态下，将在整个燃烧室内的空气燃料比率设定成为等于或者高于理想配比的空气燃料比率。
10.一种如权利要求9所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于输出按理想配比的空气燃料比率变化的O2传感器；
喷射量计算器，用于在催化剂未处于受热状态下，根据O2传感器启动后的输出计算拟由反馈控制而喷射的燃料的量，实质上使空气燃料比率与理想配比的空气燃料比率相符。
11.一种如权利要求9所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于输出按理想配比的空气燃料比率变化值的O2传感器；
喷射量计算器，用于在催化剂处于不受热状态下，根据O2传感器

Claims (19)

1.一种直接喷射式发动机的控制装置，所述发动机具有设在排气通路上转换废气用的催化剂，喷射器直接将燃料喷射到燃烧室内，所述控制装置包括：
用于判断催化剂温度状态的温度状态识别器；
用于控制喷射器喷射燃料的燃料喷射控制器；
其中所述燃料喷射控制器根据温度状态识别器的判断结果控制所述喷射器，使喷射器至少在催化剂处于不受热其温度低于活性温度且发动机处于低负荷的状态下，从吸气冲程至点火点期间内至少进行包括两个步骤的分步喷射，这包括在压缩冲程的中间段或者其后进行的后期喷射和先于后期喷射进行的早期喷射，无论是后期喷射还是早期喷射在主燃烧过程中都喷射对主燃烧过程有贡献的燃料，所述主燃烧过程是10％至90％质量的被喷射燃料在燃烧室内燃烧的过程。
2.一种如权利要求1所述的于直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：所述燃料喷射控制器控制所述喷射器，使喷射器无论发动机是否已受热，而催化剂处于不受热状态都进行分步喷射。
3.一种如权利要求1所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：所述燃料喷射控制器控制所述喷射器，使喷射器在催化剂不受热其温度低于活性温度时，执行包括在吸气冲程期间进行的早期喷射以及在压缩冲程中段或者其后但是不迟于其上死点中心前45°开始的后期喷射在内的两个步骤的分步喷射；设定整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17范围内，设定早期喷射期间喷射的燃料的量占喷射燃料总量的大约1/5至4/5。
4.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态下，由分步喷射的早期喷射喷注的燃料的量要能够产生贫稀混合气，这种贫稀混合气的空气燃料比率高于理想配比的空气燃料比率，并且至少能对后期喷射喷注的燃料和其中燃烧的燃料进行火焰扩散；而且比理想配比空气燃料比率高的贫稀空气燃料比率能够由后期喷射期间喷注的燃料进行火焰扩散，由早期喷射在燃烧室内所产生的燃烧，它被设定为85或更小。
5.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态下，使分步喷射的早期喷射所喷射的燃料量和后期喷射所喷射的燃料量彼此相等。
6.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂已经达到受热状态并且温度已经变成等于或者高于其活性温度时，将喷射器喷射燃料的模式转换成吸气冲程喷射或压缩冲程喷射。
7.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括点火时间控制器，用于通过在催化剂处于不受热状态下，实行分步喷射时，延迟点火时间距最小的火花一定的量，趋于最佳转矩(MBT)。
8.一种如权利要求7所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态，使点火时间被延迟至距MBT一定量，然后随着催化剂温度的增加，使点火时间趋于MBT。
9.一种如权利要求3所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态下，将在整个燃烧室内的空气燃料比率设定成为等于或者高于理想配比的空气燃料比率。
10.一种如权利要求9所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于输出按理想配比的空气燃料比率变化的O2传感器；
喷射量计算器，用于在催化剂未处于受热状态下，根据O2传感器启动后的输出计算拟由反馈控制而喷射的燃料的量，使空气燃料比率与理想配比的空气燃料比率相符。
11.一种如权利要求9所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于输出按理想配比的空气燃料比率变化值的O2传感器；
喷射量计算器，用于在催化剂处于不受热状态下，根据O2传感器启动后的输出计算拟由反馈控制而喷射的燃料的量，
其中所述喷射量计算器，通过当转换O2传感器输出时调整控制值变化可能的延迟时间、比例常数及积分常数中的一个，将空气燃料比率设定在偏离理想配比空气燃料比率的贫弱一侧。
12.一种如权利要求9或11所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂处于不受热状态下，将在整个燃烧室内的空气燃料比率设定成高于理想配比的空气燃料比率；然后随着催化剂温度的提高，使空气燃料比率变到丰富一侧。
13.一种如根据权利要求1至3中之一项所述的直接喷射式发动机的控制袈置，其特征是还包括：湍流加强器，用于在催化剂处于不受热状态下加强燃烧室内的湍流。
14.一种如权利要求1至3中之一项所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于控制发动机使其空转速度在催化剂还未被加热时高于催化剂被加热后的发动机速度控制器。
15.根据权利要求第1项所述的用于直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于检测负荷条件的负荷条件检测器；
其中燃料喷射控制器根据温度状态识别器的判断结果和负荷条件检测器的检测结果控制所述喷射器；使得在催化剂温度等于或高于其起作用温度状态下，让喷射器在压缩冲程喷射燃料，使发动机在低负荷时进行分层燃烧；在吸气冲程喷射燃料，使发动机在高负荷时进行均等燃烧；并且
在催化剂不受热其温度低于起作用温度时，至少在发动机处于低负荷的状态下，使喷射器实行包括在吸气冲程进行的早期喷射和在压缩冲程中段或者其后但不迟于上死点中心前45°开始进行后期喷射在内的两个步骤的分步喷射；
设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，设定早期喷射的喷射燃料量，使其占分步喷射总喷射量的大约1/5至4/5。
16.一种如权利要求1所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：
燃料喷射控制器根据温度状态识别器的判断结果控制所述喷射器；使得在催化剂已被加热其温度等于或者高于起作用温度时，让喷射器在压缩冲程喷射燃料，使发动机进行均匀燃烧；并且
在催化剂不受热其温度低于起作用温度时，至少在发动机处于低负荷的状态下，使喷射器实行包括在吸气冲程期间进行的早期喷射和在压缩冲程的中段或者其后但不迟于上死点中心前45°开始进行后期喷射在内的两个步骤的分步喷射；
设定空气燃料比率，使整个燃烧室内的空气燃料比率落入13至17的范围内，设定在早期喷射中被喷射的燃料量，使其占分步喷射总喷射量的大约1/5至4/5。
17.一种如权利要求15或16所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：点火时间控制器，用于延迟点火时间距最小的火花一定的量，趋于最佳转矩(MBT)。
18.一种如权利要求15或16所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是：在催化剂不受热状态下，将整个燃烧室内的空气燃料比率设定成等于或者高于理想配比的空气燃料比率。
19.一种如权利要求18所述的直接喷射式发动机的控制装置，其特征是还包括：
用于输出按理想配比的空气燃料比率变化值的O2传感器；
在催化剂处于不受热状态下，根据O2传感器启动后的输出，计算通过反馈控制拟喷射的燃料的量，使空气燃料比率与理想配比的空气燃料比率相符。
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