CN1274407A - 用于直喷式发动机的催化剂触发方法和催化剂触发设备 - Google Patents

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Abstract

用于直喷式发动机的催化剂触发设备,包括用来判定转化尾气的催化剂(22)的温度状态的温度状态鉴别器(31),控制从喷嘴(11)喷射燃油的燃油喷射控制器(33),和一个点火时序控制器(35)。当催化剂处于未加热状态,其温度低于活化温度,从进气冲程到点火点燃油喷射控制器(33)使喷嘴(11)进行分次喷射,包括一个产生具有局部不均匀性的混合物的后一次喷射循环,和一个产生均匀和贫油混合物的前一次喷射循环,并且点火时序控制器(35)使点火点延迟。

Description

用于直喷式发动机的催化剂触发方法和催化剂触发设备
本发明涉及用于直接喷射式发动机的催化剂触发方法和催化剂触发设备，该设备有一个喷嘴，用于把燃油直接喷射进燃烧室。
对于有一个喷嘴、用来把燃油直接喷射进燃烧室的直喷式发动机，已经广为人知。与在进气通道安置喷嘴不同，直喷式发动机不会造成燃油在通道壁的冷凝这一问题，并能够提供例如优良的气-油比控制稳定性和响应特性。另外，如果燃烧室被设计成一种气-油混合物绕火花塞局部分布的形状，当在每个压缩冲程的后半部分喷射燃油时，通过使用所谓的分层进料技术有可能增加气-油比(较贫油的混合物)，从而达到节省燃油的目的。
从机动车发动机排出的尾气含有，例如，烃(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)，目前需要尽可能降低这些有害成分的产生和释放，以改善这些释放物的特性。常规采用的一种方法是向尾气通道中供应催化剂，在上述直喷式发动机中通常也是在尾气通道中提供催化剂。这些催化剂最常见的例子是一种三向催化剂，能够以化学计量的气-油比催化清除HC、CO和NOx。为了适应于上述直接喷射发动机中的贫油燃烧运转，已经开发了另一种催化剂，该催化剂即使在“贫油”运转范围中也能清除NOx。
例如，在未审的日本专利公开号4-231645中公开了一种燃油喷射设备，它是一种公知的，在例如这种直接喷射发动机中改善催化剂在低温下的转化率效率的设备。在尾气通道中有贫油NOx催化剂的直喷式发动机中，贫油NOx催化剂还原NOx需要有HC，这样安置该设备，使得在压缩冲程的后期从喷嘴首先喷射，除了首先喷射外在进气冲程到压缩冲程的早期再一次进行喷射，喷射出少量燃油，用来向贫油NOx催化剂供应HC，这时催化剂的温度较低，或者除了上述首先喷射外，在燃烧冲程后期到排气冲程早期这段时间，这时催化剂的温度较高，进行所述的再一次喷射。在该设备中，通过设定再一次喷射过程喷射的燃油量到很低的水平，使得它的量基本上不影响在燃烧室的燃烧，把后一次喷射过程喷射的燃油的HC供应到尾气通道中的催化剂中，通过改变上述方式中低温和高温下后一次喷射的喷油时序，使HC的低沸点成分供应到低温下的催化剂中，HC的高沸点成分供应到高温下的催化剂中。
当催化剂还没有被加热，催化温度比其活化温度低时，用来转化尾气的催化剂不能充分表现其转化效果。在这种情况下就容易大量释放HC和NOx。尽管有克服这一问题的已知技术，该技术通过降低HC和NOx，延迟点火时序以升高尾气温度进行催化剂触发运转。但是，点火时序的延迟易于引起燃烧稳定性的恶化。因而，为了确保燃烧稳定性，就得限制点火时序延迟的长短。因此，要达到降低HC和NOx并增加尾气温度，就需要通过增加燃烧稳定性来增加点火时序延迟的可能范围，而不是只依赖延迟点火时序。然而，在传统的直喷式发动机中不能充分满足这些要求。
尽管在上述刊物中公开的设备除了在压缩冲程的后期进行首先喷射外，在催化剂温度较低时接着首先喷射进行再一次喷射，目的是改善低温催化剂的性能，但是后一次喷油喷射的燃料的量极少，在燃烧室中几乎不经燃烧就被传递到尾气通道中的催化剂。因此，该设备只有在使用需要用HC还原NOx的贫油型的催化剂时才是有利的。而且，该设备只有在催化剂活化到一定程度之后，同时供应HC下才有可能达到NOx的转化效果，尽管这时催化剂还在较低的温度状态。因为HC在此之前以未加热的状态释放，该设备就不能很好达到改善尾气排放的目的。而且，该设备没有通过增加尾气温度进行催化剂迅速点火运转的功能。
另一种解决直喷式发动机低温启动的方法，例如日本未审专利4-187841公开的那样，通过在压缩冲程中增加喷射的燃油量维持可燃性，同时，汽缸的内部温度较低。更具体地说，控制发动机，使得它在压缩冲程的低-载荷范围喷油，在随后的进气冲程到压缩冲程的中-载荷范围中进行二次喷油，在进气冲程的高-载荷范围喷油，这时发动机处于热运转状态下，其中上述分开喷油的范围可以扩大到发动机还处于低温状态的高-载荷范围附近。
然而，这一设备仅仅是通过增加在压缩冲程喷射中的燃油的量来维持可燃性，喷射的燃油的量太多，恶化了汽化和雾化，而同时发动机处于低温状态，由于催化剂始终处于未加热状态，设备不能通过增加尾气温度来完成迅速点火和改善尾气排放。
基于上述的情况，本发明的目的是提供一种直喷式发动机，该发动机能降低从发动机排出的尾气例如HC和NOx的量，提供一种通过增加尾气的温度使得催化剂迅速进行点火运转燃烧状态，通过增加燃烧稳定性使得点火时序的延迟增加，其协同效果使得它能显著增加催化剂的迅速点火并改善排气效果。
在本发明的直喷式发动机中，当催化剂处于未加热状态，其温度比其活化温度低时，喷嘴在进气冲程到点火点这段时间进行至少两-步的分次喷射。在该分次喷射中，后一次喷射循环在燃烧室产生气-油比具有局部不均匀性的混合物，而前一次喷射循环产生均匀和贫油的混合物，该混合物可以被后一次喷射循环喷出的燃油火焰传播和燃烧，其中点火时序就被延迟。通过分次喷射，HC和NOx降低了，尾气温度升高了。进而，增加了燃烧的稳定性，使得有可能进一步延迟点火时序。因此，由于分次喷射和点火时序延迟的协同效应，可以显著降低HC和NOx，并使催化剂迅速触发。
附图简述
图1是根据本发明的实施方案的直喷式发动机的构造总图；
图2表示的是在分次喷射中前一次喷射和后一次喷射的的喷射点；
图3表示的是一个对照操作的例子的时序图；
图4举例说明为点火时序控制设定的运转范围；
图55A-5C表示的是直喷式发动机的活塞变化；
图6表示的是分层进料发动机的活塞；
图7表示的是O2传感器的输出；
图8表示的是当反馈控制气-油比时，所观察到的O2传感器的输出变化和反馈校正系数相应的变化。
图9表示的是在进气冲程进行分次喷射和一次喷射时所观察到的燃油质量百分比的变化。
图10举例说明通过分次喷射在燃烧室分散的混合物的情况；
图11表示的是当进行分次喷射和一次喷射时火焰锋面面积的变化；
图12表示的是在进行分次喷射中以各种方法改变后一次喷射时序时的尾气温度和燃油消耗率，和在进行一次喷射中以各种方法改变点火时序延迟的量；
图13A到13D表示的是当进行分次喷射和一次喷射时获得的13A尾气温度，13B HC浓度，13C NOx浓度和13D发动机转速波动系数；
图14表示的是在一个安装在车辆上的发动机上的HC降低率，NOx降低率，尾气温度和车辆运转速率随时间的变化。
图15表示的是当进行一次喷射和分次喷射时在进气冲程点火时序和指示平均有效压力的关系。
图16表示的是以各种方法改变后一次喷射要喷射的燃油的百分率时所观察的Pi的波动速率和其它参数；和
图17表示的是以各种方法改变后一次喷射开始的时间时所观察的Pi的波动速率和其它参数。
进行本发明的最好方式
图1表示的是直喷式发动机的一个应用例子。在该图中，用数字1表示的是主机体，其中包括汽缸体2和汽缸盖3，在主机体中形成许多汽缸。在每一个汽缸中安装一个活塞4，在活塞4上表面和汽缸盖3下表面之间形成燃烧室5。
下面具体解释它们的结构。在汽缸盖3的下表面形成了一个具有特定形状的凹槽，凹槽形成燃烧室5的上部内表面。例如，燃烧室5的上部内表面形成如图所示的单坡屋顶状，在它的上部内表面形成开向燃烧室5的进气口6和排气口7。尽管在图中示出了一组进气口6和排气口7，但是优选的形式为在垂直于图所在页面的方向单独安装两组进气口6和排气口7。然后，在每组进气口6和排气口7中分别安置进气阀8和排气阀9。进气阀8和排气阀9被图中未画出的致动器驱动，在特定的时序开启和关闭。
在汽缸盖3中安置火花塞10，这样每个火花塞10就大约位于燃烧室5的中央，并且其火花隙在燃烧室5中。
在燃烧室5的外周部分安装喷嘴11，喷嘴把燃油直接喷到燃烧室5中。在图1所示的实施方案中，喷嘴11与汽缸盖3相连，位于燃烧室一侧，靠近进气口6，安置喷嘴使得它斜向下喷射燃油，喷嘴11的远端位于燃烧室5的内部空间。
还是在所示的实施方案中，活塞4的上表面构成燃烧室5的底面，形成通常平坦的形状。因此，当燃油从下述的喷嘴11喷向活塞4的上表面时，这时活塞4处于接近冲程上部死点附近，活塞4不象下述的具有用来俘获混合物的空腔的活塞那样(见图6)，它不具有俘获混合物并把它集中在火花塞周围的功能。
进而，通过进油通道14把高压泵13连接到下述的喷嘴11上。在图中没有画出的回路中安置的高压泵13和高压稳定器共同调节加到喷嘴11的油压到较高的压力水平，该压力足以在压缩冲程的中部或这之后喷射燃油。
将进气通道15和尾气通道16连接到上述的主机体1上。所述的进气通道15在缓冲罐15b的下游分枝到单个的汽缸中，其中每个汽缸形成两个(在图中只画出一个)平行经过的分枝通道15a。在分枝通道15a的下游端的两个进气口6通到燃烧室5中，在这两个分枝通道15a的一个分枝管道中安置涡流控制气门17，起到湍流增强装置的作用。当关闭涡流控制气门时，通过吸入经其它分枝通道15a引入的空气，在燃烧室5中产生湍流，这样就增强了在燃烧室5中的湍流。
作为一种可选的湍流增强装置，可以在一个分枝通道中安置一个可以翻转的阀门，代替涡流控制气门17，或者这样安排，在压缩冲程上部死点附近在活塞上表面和燃烧室上部内表面(汽缸盖下表面)之间产生挤气(squish)。
进而，在进气通道15的中途安置一个节流阀18，该节流阀18可以通过电驱动致动器19如步进电机来控制，来控制进入的空气的量。
将尾气再循环(EGR)通道(未示)经FGR阀(未示)连接到缓冲罐15b，以使得在完成发动机点火时有可能导入EGR气体。
另一方面，在尾气通道16中安置二氧(O2)化碳传感器21和含有催化剂用来转化尾气的催化转化器22。上述O2传感器21通过测定氧的浓度检测在燃烧器中的混合物的气-油比，由一个传感器(λO2传感器)制成，其输出随化学计量的气-油比而变。
当该催化转化器22由三向催化剂形成时，即使在气-油比比化学计量的气-油比高的贫油混合物中，也需要使用能降低NOx的催化剂，因为它们能使得发动机在贫油混合物中运转，该混合物的气-油比在点火运转后增加，这将在后面详述。更具体地说，尽管在化学计量的气-油比附近对所有的三种污染物HC、CO和NOx表现出高的转化效率的三向催化剂已被公知，还存在着一种催化剂(贫油NOx催化剂)，该催化剂不仅具有与三向催化剂相同的功能，还能在气-油比化学计量的气-油比高的贫油混合物中降低NOx。因此，在贫油运转条件下优选使用这种催化剂降低NOx。然而，还应当注意到，这种贫油NOx催化剂在化学计量的气-油比附近也表现出其最大转化效率。
因为催化转化器22含有贫油NOx催化剂，如果把催化转化器22直接安装在尾气歧管下游(或直接与它相连)，催化剂温度易于在高速、高载荷条件下过度升高。因此，催化剂转化器22与尾气管16b直接相连，而尾气管与尾气歧管16a相连，这样催化剂转化器22就比紧接在尾气器官16a下游的位置更远离主发动机体1。然而，在使用三向催化剂的情况下，因为三向催化剂的耐热性，可以把催化剂转化器22直接连接到尾气歧管上。
数字30表示的是一个进行发动机控制的ECU(电子控制单元)。从检测发动机曲柄角的曲柄角传感器、检测加速器的开度(即，加速器踏板运行的量)的加速度传感器24、检测吸入的空气量的气流计25、检测发动机冷却水温度的水温传感器26、和所述O2传感器等发出的信号都输入到ECU30中。
所述ECU包括温度状态鉴别器31，载荷条件检测器32，燃油喷射控制器33，燃油喷射量计算器34，点火时序检测器35和发动机速度控制器36。
所述温度状态鉴别器31是用来评价催化剂的温度状态，并基于从所述水温传感器26反馈的温度传感信号，判定它是否处于温度比活化温度低的非加热状态。假如水温比起初设定的温度低，温度状态鉴别器31就判定催化剂处于非加热状态，假如水温比起初设定的温度高，温度状态鉴别器31就判定催化剂处于加热状态。用来确定催化剂触发条件的这一温度状态运转判定可以通过进行水温检测和同时判定从发动机启始点的经过时间来判定，或者通过直接感知催化剂的温度直接判定。
前述的载荷状态检测器32通过检测发动机的速度和发动机载荷感知发动机运转的条件，其中发动机的速度是从曲柄角传感器23等反馈的曲柄角信号得到的，发动机载荷是从加速器开度、或进入的空气量和发动机速度得到的。
所述的燃油喷射控制器33是用来控制燃油的喷射时序和从喷嘴11经喷嘴驱动回路37喷射的燃油的量。当催化剂处于非加热状态，燃油喷射控制器33控制喷嘴11进行分次喷射，包括在发动机的低载荷运转范围内，在吸入冲程到点火点这段时间内的两次喷射循环，两个喷射循环包括在压缩冲程的中部或之后进行的后一次喷射，和在后一次喷射前进行的前一次喷射。
当催化剂处于其非加热状态时所述的分次喷射可以在所有的发动机运转范围中进行，或者是只在进气冲程高载荷范围内进行燃油喷射，以满足发动机输出的需要。
优选的喷射时序如图2所示，在进气冲程中进行所述前一次喷射，在压缩冲程中进行所述的后一次喷射。特别优选的是在压缩冲程的中部或之后，但在压缩冲程经过的四分之三之前开始进行后一次喷射。
这里，压缩冲程的中部指当把压缩冲程的中间部分分为三等份，即前部、中部和后部时在压缩冲程的中间部分。因此，从压缩冲程的中部或之后开始，但在压缩冲程四分之三处之前的那段时序图示从上部死点(BTDC)120°到BTDC45°的那段时间。为什么后一次喷射优选在这段时间进行的原因是，如果后一次喷射时序比这一段时间晚，就会损坏燃烧的稳定性，如果后一次喷射时序比这一段时间早，就不能获得还原NOx和增加尾气温度的效果。
当催化剂处于未加热状态时进行该分次喷射时，用燃油喷射量计算器34计算要喷射的燃油的量，这样气-油比就处于设定的气-油比13-17的范围内，要喷射的燃油的量被所述的燃油喷射控制器33分成特定的比例，这样就控制了早期喷射和后一次喷射要喷射的燃油的量。
在上述运转中，不管是所述的前一次喷射还是后一次喷射循环，都要进行控制使得喷射的燃油对在主燃烧阶段发生的主燃烧有贡献。一般说来，在燃烧室发生的燃烧过程中，达约10质量％的喷射燃油被燃烧的阶段被称为起初燃烧阶段，约10质量％到90％的喷射燃油被燃烧的阶段被称为主燃烧阶段。在起初燃烧中由后一次喷射过程喷射的燃油被点燃和燃烧，它是一个燃烧循环，包括起初燃烧阶段和主燃烧阶段早期部分。设定在各个喷油循环中喷射的燃油的量，使得前一次喷射过程喷射的燃油产生一定气-油比的混合物，该混合物能通过燃烧后一次喷射过程喷射的燃油在燃烧室进行火焰传播，这样，前一次喷射过程和后一次喷射过程喷射的这两部分燃油都对主燃烧有贡献，由前一次喷射过程喷射的燃油产生的贫油混合物就被缓慢燃烧。
换句话说，要控制在各个喷油循环中喷射的燃油的量，使得前一次喷射过程喷射的部分燃油和后一次喷射过程喷射的部分燃油混合物质量进行混合，能够被后一次喷射过程喷射的燃油燃烧产生的火焰传播燃烧，虽然前一次喷射过程喷射的燃油自己不能燃烧。具体地说，这样设定喷射的燃油的比例，使得由前一次喷射自身在燃烧室产生的气-油比为70或较低，以达到能够被后一次喷射过程喷射的燃油燃烧产生的火焰进行火焰传播的气-油比。使前一次喷射过程的喷射的燃油的比例等于喷射的燃油总量的1/5或更大(即，后一次喷射过程喷射的燃油的比例是4/5或更小)。
另外，使后一次喷射过程喷射的燃油的比例等于喷射的燃油总量的1/5或更大(即，后一次喷射过程喷射的燃油的比例是4/5或更小)。这样，前一次喷射过程的喷射的燃油的比例在1/5到4/5的范围。更优选地，设定前一次喷射过程喷射的燃油量，使得前一次喷射自身在燃烧室达到的气-油比在所述范围内等于或高于可燃的极限气-油比(即，混合物可以自己燃烧的气油比极限：约30)。
优选设定整个燃烧室的气-油比在前述的13到17的范围内，达到等于或略高于化学计量的气-油比。上述的喷射量计算器计算要喷射的燃油的量，基于O2传感器通过开环控制或反馈控制使得在整个燃烧室中的气-油比与设定的气-油比匹配，这将在下面详细描述。
进而，所述的点火时序控制器35把一个控制信号输出到点火设备38中，从而根据发动机的运转条件控制点火时序。尽管为了达到最好的扭矩必须控制点火时序以达到最小的火花提前，但当进行所述的分次喷射时点火时序就可以延迟某一特定的量，这时催化剂至少在低速、低载荷范围处于未加热状态。
发动机速度控制器36控制吸入的空气的量或点火点，例如，与催化剂被加热后比较，当催化剂处于未加热状态使得发动机空转速度变得更高。
构造所述的ECU 30，以控制进入的空气的量，同时向致动器19输出控制信号来驱动节流阀18。特别是，当发动机在高载荷范围以化学计量的气-油比运转时，例如，当催化剂处于未加热状态或已经被加热时，ECU 30根据加速器的开度控制节流阀18的开度，其中只在压缩冲程低载荷范围喷射燃油进行分层进料燃烧，例如，在点火后，ECU 30控制节流阀18使之开启以增加进入的空气的量，从而增加气-油比。进而，例如当进行所述分次喷射而催化剂处于未加热状态时，ECU 30控制所述的涡流控制气门17在燃烧室5中产生涡流。
现在参照图3的时序图描述这种直喷式发动机的控制运转的一个例子。
在图3中，t1表示发动机开始运转的时序端点。在发动机开始运转的时序t1，例如，保持气-油比比化学计量的气-油比较低的水平(富油混合物)以维持启动扭矩，只在进气冲程从喷嘴11喷射燃油(进气冲程喷油)。这一安排的原因是，如果在发动机启动运转中喷油，在压缩冲程喷油容易引起很差的蒸发和雾化，并由于火花塞被燃油弄湿最终不能点火，因此，必须使进气冲程喷射的时间能够蒸发和雾化。另外，要把点火时序调节到MBT点。
当催化剂处于未加热状态时，在发动机启始点t1后进行分次喷射。更具体地说，从喷嘴11喷出的燃油被分成两个单独的部分，即，在进气冲程进行前一次喷射，在压缩冲程的中部或之后进行后一次喷射。在图3所示的例子中，在前一次喷射和后一次喷射循环中分配的燃油的比例相等。
在这分次喷油模式中，设定整个燃烧室的气-油比为13到17。在图3所示的例子中，在紧接着发动机启动的特定的时间阶段(t1到t3)，设定气-油比到比化学计量的气-油比较高的水平(贫油混合物)，其中在整个过程中催化剂的温度特别低，催化剂处于未加热状态，同时根据吸入的空气的量由开环控制计算要喷射的燃油的量，直到O2传感器活化启动，当催化剂O2传感器21被启动后，从时序t2基于从O2传感器21的输出由反馈控制计算的要喷射的燃油的量，旨在达到“贫油”气-油比。从时序点t3起当经过特定的时间阶段后，基于从O2传感器21的输出进行反馈控制旨在达到化学计量的气-油比(λ＝1)。
进而，当催化剂处于未加热状态延迟点火时序。在这种情况下，点火时序延迟的量根据图4所示的运行时间的范围而变。更具体地说，不包括非-载荷范围NL，在低速、低载荷范围A中，延迟点火时序到上部死点或超过上部死点。当载荷在这一范围增加，延迟的量也随之增加。在比范围A载荷更高的范围B中(或在特定载荷的高载荷范围或更高)，当载荷增加，点火时序延迟的量降低或接近MBT。还在非-载荷范围中降低点火时序延迟的量，这样点火时序就位于上部死点之前。在图4中，“ID”表示空转速度范围。
当点火时序提前到MBT端(或取消了延迟)和所述的分次喷射模式被取消时，这时的催化剂温度已经升高，使这些切换操作有些滞后以减缓扭矩冲击。特别是考虑到燃油经济性(见下述的图13A到13D)，因为点火时序延迟比所述的分次喷射模式较为不利，点火时序提前到时序点t4，这时催化剂温度已经增加到一定程度，然后，在催化剂已经加热后，在时序点t5取消分次喷射模式。可选地，同时把点火时序移到MBT端和取消分次喷射模式。
控制发动机的转速，使之与发动机的空转速度，例如发动机启动的空转速度相匹配，而发动机的空转速度根据发动机冷却水的温度来设定。在如图中虚线所示启动发动机后，发动机的转速迅速降低到对应发动机冷却水温度的空转速度。然而，在该实施方案中，控制发动机的转速，例如，在发动机启动后立即调整目标发动机的转速使得它比对应于发动机冷却水温度的发动机空转速度高，这时发动机还没有被加热，然后，使发动机的转速逐渐降低到通常的发动机空转速度。因为以所述的方式在发动机启动后立刻增加发动机的转速，就增加了燃烧室的稳定性和燃烧时序延迟的限度。
在图1所示的发动机中，每一个活塞4是一个平顶活塞，不必对混合物分层。在该发动机中(下文称为非-分层进料发动机)，在进气冲程喷射燃油，在催化剂被加热后进行均一的燃烧。尽管均一的燃烧可以在所有的运转范围λ＝1时进行，还可以在低速、低-载荷范围“贫油”气-油比下进行。
在本说明书中，“平顶活塞”指没有设置空腔12用来俘获混合物分层进料形成的活塞。因此，平顶活塞并不限于那些如图1或图5(a)所示的顶部完全平坦的活塞，还包括那些满足需要的具有燃烧室形状的顶部表面凹陷和凸出的活塞，例如图5B-5C所示的活塞41、43，这些凹陷和凸出的顶部表面不能用来进行分层进料。
可以使用如图6所示的在其顶部有一个分层进料形成空腔46的活塞代替平顶活塞。因为空腔46俘获从喷嘴11喷射的燃油，并把它再导向到火花塞10，当在压缩冲程的中部或之后从喷嘴11喷出燃油，就得到达到分层进料状态，其中相对富油的混合物局部分布在火花塞附近。在这种设计来达到分层进料状态的发动机中(下文称为分层进料发动机)，控制燃油喷射的方式，这样在催化剂已经被加热后根据运行条件进行分层进料燃烧或均匀燃烧。例如，在低速、低载荷范围内，将燃油喷射模式切换到压缩冲程喷射，增加气-油比(贫油混合物)以进行分层进料燃烧，而在高速或高载荷范围内，将燃油模式切换到进气冲程喷射。进而，在中载荷的分层进料燃烧区和均匀燃烧区之间，可有包括在进气和压缩冲程再内的分次喷射，以避免扭矩的突然改变。
在所述的时序图所示的对照运行中的燃油控制操作中，在时间段t2到t3的贫油条件下进行反馈控制，在时序点t3或之后进行反馈操作，这将参照图7和8解释。
所述O2传感器21的输出在如图7所示的化学计量气-油比(λ＝1)下突然改变。基于O2传感器21的输出通常在反馈控制中，应用到喷射的燃油量的反馈修正系数依P值和I值而变，P是一个比例常数，I是一个积分常数，如图8所示，其中只有一个常数P值或I值沿喷射的燃油量降低的方向而改变，这时O2传感器的输出表示富油状态，其中只有一个常数P值或I值沿喷射的燃油量升高的方向而改变，这时O2传感器的输出表示贫油状态。另外，当O2传感器21的输出从富油状态向贫油状态、从贫油状态向富油状态转化时，设定延迟时序TRL和TLR，使得反馈修正系数转换。
当控制燃油喷射，使得在所述反馈控制t2到t3的时间段特定的气-油比达到化学计量的气-油比的“贫油”一侧，调整延迟时序TRL，使得它比延迟时序TLR大，引起反馈修正系数的平均值改变到喷射燃油降低的方向。因此，这样调整气-油比，使得它改变到化学计量的气-油比的“贫油”一侧。类似调节也是可能的，根据O2传感器21的输出是否表示富油状态或贫油状态区分所述的P或I值。
在从时序点t3的反馈控制运行中，调整延迟时序TRL和TLR到相同的设置，在“富油”一侧和“贫油”一侧进行正常的操作控制，其中将气-油比调节到化学计量的气-油比。
下面描述本发明的实施方案的上述直喷式发动机的操作特性。
如果在发动机启动时催化剂处于未加热状态，在两个分开的部分进行燃油喷射，这就是说，在进气冲程进行前一次喷射和在压缩冲程中部或之后进行后一次喷射，同时控制要喷射的燃油的量，以在整个燃烧室在低载荷范围内产生一种气-油比约等于或稍高于化学计量的气-油比。
由前一次喷射的燃油喷到整个燃烧室，产生混合物层，该混合物层虽然贫油，但能够火焰传播，这是因为在点火前有足够的时间用于蒸发、雾化和扩散。由后一次喷射过程喷射的燃油产生气-油比相对低的混合物，并至少在火花塞10的附近存在。特别是在如图1所示的分层进料发动机中，由后一次喷射过程喷射的燃油会造成在火花塞附近聚集较高的密度。随后，就获得了一种分层进料状态，其中混合物层具有气-油比等于或高于化学计量的汽油比。
因为产生了这种燃油供应条件，当催化剂处于未加热状态，尾气温度增加，这样催化剂迅速进行点火操作，混合物的点火和燃烧就以所需的方式进行，从发动机释放的尾气中的HC和NOx就降低，造成排气的改善。参照图9到图17具体解释这些有利的效果。参照图9到17的分次喷射是两次喷射，其中在进气冲程过程中进行前一次喷射，在压缩冲程过程中进行后一次喷射，如上述的实施方案。
图9表示的是当进行分次喷射和当在进气冲程过程中一次喷射(对比实施例)在点燃后检测的燃烧的燃油的质量比，在如下操作条件下进行：
发动机转速：1500rpm
平均有效制动压力(Pe)：294kPa
点火时序：延迟到压缩冲程的上部死点(TDC)(其中MBT约10°BTDC)
从该图中可以看到，与上述对比例中的一次喷射比较，在分次喷射中燃烧的燃油的质量比率迅速升高，在燃烧阶段的后半部分变慢。造成这一现象的原因被认为如下：
这里，假设使用平顶活塞，在非-分层加料发动机中进行上述分次喷射，如图1(或图5所示)。从压缩冲程中部或之后的后一次喷射到燃烧点的这段时间非常短，燃油不能完全均匀地分散，如果不是分层进料，就在燃烧室产生具有局部不均匀性的混合物。特别是，在燃烧室分散产生如图10所示的混合物质量M局部比其它部分富油的条件。因为在这种条件下局部富油混合物存在于火花塞附近，就可以获得满意的点火和燃烧。因为在这一条件下分散了相对富油的混合物和贫油的混合物，火焰传播速率就不均匀，并且在火焰传播过程中在火焰的前方形成不规则地凹陷和凸出。据认为在燃烧早期部分的燃烧被加速，因为所述不均匀性增加了火焰的表面积，并对加速燃烧有利。
进而，前一次喷射过程喷射的燃油，与后一次喷射过程喷射的部分燃油进行混合，产生均匀和贫油的混合物，这一贫油混合物被燃烧。换句话说，首先燃烧富油混合物产生的火焰传播到贫油混合物，使贫油混合物缓慢燃烧。因此，据认为在每一燃烧冲程的后半部分产生缓慢的燃烧。
在分次喷射中分层进料发动机应用图6所示的有空腔46的活塞45，也易于在燃烧冲程的后半部分产生缓慢燃烧。它还表明当分层程度相对低时，燃烧的燃油的质量比率更迅速上升。更特别地，当进行所述的分次喷射时，由后一次喷射过程喷射的燃油产生的混合物被局部分散于火花塞的周围，就产生了不均匀性，即使是在局部分配的区域，因为后一次喷射到点火的时间阶段非常短。当分层度相对低时，在火花塞周围存在相对富油的混合物和贫油的混合物。这就使得火焰传播速率不均匀，引起火焰表面积的增加，结果，在燃烧早期的燃烧被加速。进而，因为在燃烧室较外的区域形成贫油混合物，在燃烧冲程的后半部分发生缓慢燃烧。上述被认为将在分层进料发动机中发生。
如图9所示的由分次喷射燃烧产生这样的效果，降低HC和NOx，尾气温度的增高，在催化剂处于非加热状态的阶段点火时序延迟的可能范围增大。
更优选地，通过所述的分次喷射在燃烧后半部分燃烧延长，起到增加尾气温度和燃烧和降低HC排放。进而，在燃烧阶段后半部分的缓慢燃烧引起NOx的降低。
而且燃烧的燃油的加速增高质量比例引起在燃烧阶段前半部分的燃烧加速和增加燃烧稳定性。当燃烧稳定性以这一方式中增加，也有可能增加点火时序延迟的量。从上述应当理解到分次喷射比一次喷射更能降低HC和Nox，和更能增加尾气温度，甚至当时间延迟的量相同时。另外，当点火时序延迟的量增加，迅速点火和HC和NOx降低效果甚至更大地增强。
图11表示火焰(或火焰)表面积与从点火点观察的曲柄角变化的资料，在进气冲程进行一次喷射和分次喷射来检测分次喷射对火焰前部的影响。从该图中可以看到，与一次喷射相比，在分次喷射中火焰前部面积迅速增加。从这点可以看出，燃烧稳定性得到增强，可允许的点火时序延迟范围增加。
图12表示的是当后一次喷射时序改变，随着点火时序从MBT点变为进气冲程一次喷射中的延迟一侧和随着点火时序设定到分次喷射的MBT点，所观察的燃油经济性与尾气温度的变化。使用的操作条件是转速是1500rpm，平均有效制动压力(Pe)为294kpa。从图中可以把看到，如果在进气冲程中一次喷油，当喷射时序进行延迟，尾气温度增加，燃油经济性降低。另一方面，在分次喷射情况下，如果在压缩冲程中当后一次喷射的时序从约90°(上部死点之前)进行延迟，尾气温度增加，燃油经济性降低。
这些情况比较表明，当尾气温度相同时在分次喷射中的燃油经济性降低。(例如，当进气冲程一次喷射的喷射时序从MBT点延迟，尾气温度升高60℃。)总之，如果燃油经济性降低的水平保持相近，在分次喷射中通过延迟点火时序尾气的温度可以比一次喷射增加的更多。进而，如果在进行分次喷射时延迟点火时序，尾气的温度甚至可以增加得更多。
图13A到13D表示的是从对比实施例和本发明的实施例的测试中获得的尾气温度，从燃烧室中释放的尾气中的HC、和NOx浓度，以及发动机转速波动系数RPM(B标准差)测定结果，对比实施例在进气冲程一次喷油中延迟点火时序，本发明实施例是在分次喷射中延迟点火时序，进行测试时调节点火时序延迟的量，使实施例和对比实施例延迟的时间量相等(在对比实施例和实施例中都把点火时序延迟到TDC)，在低-载荷操作条件下发动机转速为1500rpm。从图中可以看到，在同样的操作条件下，消耗等量的燃油，本发明的实施例与对比实施例比较，尾气温度增加更显著，HC和NOx浓度降低更多，发动机转速的波动系数RPM降低更多。
这一原因被认为是因为如上所述的分次喷射减缓了燃烧后期的燃烧，增加了尾气的温度，降低了HC的浓度。NOx降低是因为前一次喷射产生的贫油混合物的燃烧变为一个缓慢的燃烧过程，例如，由于在燃烧前期的点火加速增强了燃烧的稳定性，等等。
如上所述，即使把点火时序延迟相同的量，也能降低HC和NOx的量，并且分次喷射比一次喷射尾气温度增加获得的催化剂触发效果快。而且，因可以增加点火时序延迟的量(发动机转速波动系数RPM降低)，与尾气温度增加相对应，进一步降低了HC和NOx和增加了催化剂触发的效果。
图14表明在进气冲程进行的一次喷射和在开动装备有直喷式发动机的机动车进行的分次喷射时的HC降低速率，NOx降低速率和尾气温度的测定结果。从该图中可以看到，尾气温度的增加在分次喷射中比在进气冲程一次喷射中速度要快。因此，达到HC降低速率和NOx降低速率各为50％的所需的时间显著降低(如图所示的ta和tb)。
图15表示当进行进气冲程一次喷射和分次喷射时点火时序与测定的平均有效压力之间的关系。从图中可以看到，尽管平均有效指示压力(扭矩)降低，当点火时序延迟时，在二次喷射中所示的有效压力降低程度比进气冲程一次喷射中降低的幅度要小。
从所述数据中可以看到，当催化剂处于其未加热状态，同在一次喷射中延迟点火时序比较，象本发明这样通过进行分次喷射和延迟点火时序就能降低扭矩的降低和减少燃油经济性的恶化。
现在参照图16和17，将在下面解释后一次喷射和前一次喷射要喷射的燃油的比例的所需范围和后一次喷射时序的范围。
图16表示的是后一次喷射要喷射的燃油的比例(或后一次喷射要喷射的燃油与前一次喷射要喷射的燃油的量的比率)和Pi(平均有效指示压力)波动速率，尾气温度，燃油经济率，释放的HC的量和释放的NOx的量。操作条件是发动机转速1500rpm，平均制动有效压力(Pe)294kPa，发动机冷却水温度为40.0℃，其中点火时序延迟到压缩冲程的上部死点(TDC)。从该图中可以看到，如果分次喷射过程喷射的燃油的比例小于20％(1/5)，就不足以得到尾气温度升高效果和HC和NOx降低效果。当分次喷射过程要喷射的燃油的比例等于或超过20％(1/5)时，尾气温度的增加效果和HC和NOx的降低效果就随着后一次喷射要喷射的燃油的比例的增加而增加，但Pi波动速率和燃油经济率逐渐升高。当后一次喷射过程喷射的燃油的比例超过80％，Pi波动速率超过其允许的水平，就丧失了燃烧的稳定性。
因此，必须保持后一次喷射过程喷射的燃油的比例在20％到80％(1/5到4/5)之间，以维持燃烧的稳定性和扭矩，同时确保尾气的温度增加效果和HC和NOx降低的效果。要达到这一目的，由前一喷射过程喷射的燃油比例要在4/5到1/5的范围。另外，尾气温度增加效果和HC和NOx降低效果随后一次喷射过程喷射的燃油的比例增加而增加，这就是说，由前一次喷射过程喷射的燃油的比例可以降低，只要该比例在上述的范围中。然而，因为Pi波动速率增加，燃油经济率增加和点火时序延迟的可能范围减小。另一方面，由前一次喷射过程喷射的燃油比例越高，燃油经济率就越低，Pi波动速率就越低，这样就增加了点火时序延迟的可能范围。
在这种情况下，例如，如果设定前一次喷射过程要喷射的燃油的量等于或大于后一次喷射所喷射的燃油的量(后一次喷射过程喷射的燃油的比例的50％或更少)，点火时序延迟的量增加到或大于压缩冲程上部死点，由于分次喷射和点火时序延迟的协同效果，可以增加尾气温度的增加效果和HC和NOx的降低效果。
在极低载荷的范围，例如空转范围，其中供应到燃烧室的燃油的量较少，对应喷射的燃油的分开的量的喷射脉冲长度(或确定喷射器阀门开启的时间的脉冲长度)接近最小可控制的喷射脉冲长度。因此，如果前一次喷射要喷射的燃油的量与后一次喷射的燃油的量不同，对应要喷射的较小量的燃油喷射脉冲长度就有可能比最小喷射脉冲长度小，使得很难控制要喷射的燃油的量。在这种情况下，最好是后一次喷射过程和前一次喷射过程喷射的燃油的量相等(后一次喷射过程喷射的燃油的50％)。
图17表示在发动机转速1500rpm，平均有效制动压力(Pe)为294kPa和发动机冷却水温度为40.0℃下后一次喷射开始时间与Pi波动速率及尾气温度之间的关系，其中点火时序延迟到压缩冲程的上部死点(TDC)。如该图所示，当后一次喷射的启始点在120°BTDC之前，很难获得尾气温度增加效果。当后一次喷射的启始点延迟到或超过120°BTDC，尾气温度的增加效果就得到增强。然而，当Pi波动速率增加和后一次喷射启始点延迟超出60°BTDC，则Pi波动速率超过其允许的水平，燃烧稳定性就丧失。
如果后一次喷射的启始点被设定在120°BTDC到60°BTDC的范围，当点火点被延迟到TDC，有可能提供合适的燃油蒸发和雾化时间，结果，就能获得尾气温度增加效果，并确保燃烧的稳定性。如果后一次喷射启始点不延迟到TDC，把后一次喷射启始点可设定在120°到45°的范围，也有可能增强尾气温度增加效果。
在极低的载荷范围内，其中供应到燃烧室的燃油的量很少，为了燃油蒸发和雾化，有可能充分延迟喷射时间，同时保持后一次喷射的启始点在不晚于45°的范围。
进而，有可能通过设定后一次喷射过程要喷射的燃油的量到较低的水平来增加燃烧稳定性(图16)，后一次喷射的启始点可以设定在120°BTDC到45°BTDC的范围，点火时序设定到超出TDC的一点。
根据催化剂触发设备和催化剂触发方法，使用上述实施方案的装置，当催化剂处于未加热状态，进行两-步的分次喷射，包括在进气冲内程的前一次喷射循环和在压缩冲程中部或之后中间部分(45°BTDC或之后)的后一次喷射循环，其中所述后一次喷射循环产生具有局部不均匀性的混合物，这种混合物比在燃烧室中分散的其它部分更加局部富油，例如，前一次喷射循环中产生一种混合物，当该混合物与后一次喷射循环喷射的燃油部分混合，具有高(贫油)的气-油比，能够通过在随后的喷射循环喷射的燃油燃烧进行火焰传播。随后，在燃烧期的前半部分，点火和燃烧加速，燃烧稳定性增加，同时在燃烧后期具有高(贫油)气-油比的上述混合物缓慢燃烧降低了HC和NOx。进而，由于尾气温度的增加和燃烧稳定性的增强，能够迅速进行催化剂触发操作，点火时序延迟的范围就增加，分次喷射和点火时序延迟的协同效果起到更大地降低HC和NOx和增加催化剂迅速点火的效果。
因为图4中的低速，低-载荷范围A(不包括空转范围和非-载荷范围)是需要相对低的扭矩的范围，点火时序就在很大程度上可延迟到或超过在该范围A的上部死点，这时催化剂处于未加热状态，其中延迟点火时序的量，使得在该范围A中燃烧稳定性朝高-载荷端增强。这一安排有助于充分减少HC和NOx和增加催化剂迅速触发的效果。
在燃烧趋于不稳的非-载荷范围内，降低延迟的量，使得点火点位于上部死点的前面，就避免了由于点火时序延迟造成的燃烧稳定性的丧失。
在高-载荷端的范围B中，降低点火时序延迟以使点火点靠近MBT或在MBT之前，这样就在范围B的高-载荷端获得了所需的扭矩。尽管可以控制从喷嘴11喷出燃油的模式，以停留在范围B高-载荷端的分次喷射中，可以把燃油喷射模式变换为进气冲程喷射，尤其在范围B的较高-载荷区。
根据图1所示的结构和在图3时序图所示的对照操作中，有可能获得如下所述的更多的操作特征和效果。
因为在图1中所示的涡流控制阀至少在低-载荷范围是关闭的，只是催化剂还没有被加热，它就在燃烧室5中产生一个涡流，从而增强了在燃烧室5中的湍流。当提供这样的湍流增强设备如涡流控制阀17，至少在低-载荷范围进行所述的分次喷射，同时催化剂处于未加热状态时，通过增强湍流在燃烧室内的燃烧稳定性就得到了增强。从而有可能保持燃烧的稳定性，同时抑制Pi波动速率的增加，即使当后一次喷射启始点延迟相当大的量以增加在分次喷射中的迅速触发效果也是这样，因为点火时序延迟限制增加，甚至能更快地进行催化剂迅速点火。
在图3的时序图所示的对照操作中，在特定的时间阶段(t1到t3)设定气-油比为“贫油”水平，其中在整个阶段催化剂的温度非常低，催化剂处于未加热状态，这样就降低了尾气中的HC和NOx。而且，当气-油比被设定为如上所述的“贫油”水平时存在过量的氧，有可能把分次喷射过程喷射的燃油的充分燃烧，有利于催化剂迅速触发。从催化剂温度增加到一定程度的特定时序点t3，催化剂或多或少被活化，尽管它还处于未加热状态，把气-油比设定到化学计量的气-油比(λ＝1)。因此，通过催化剂的转化作用降低HC和NOx，其反应也起到进行催化剂迅速触发操作的作用。气-油比控制操作的方式并不限于所述实施例。例如，可以在特定阶段当催化剂处于未加热状态，把气-油比设定到比化学计量的气-油比更“贫油”的水平(但不超过17)，或者在发动机启始点后立即控制化学计量的气-油比。
在分次喷射模式中，催化剂处于未加热状态，前一次喷射的时序并不限于进气阶段，可以是进气冲程的任何点或之后，只要该喷射点在后一次喷射之前。例如，可以在压缩冲程的早期进行前一次喷射。
通过实施例描述的本发明具有如下的特征和优点。
本发明的第一方面，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发方法包括，当催化剂处于未加热状态，温度低于其活化温度，从进气冲程到点火点使喷嘴至少进行两-步分次喷射，该分次喷射包括一个后一次喷射循环，提供具有在燃烧室的气-油比具有局部不均匀性的混合物，前一次喷射循环在后一次喷射之前喷射燃油产生气-油比比化学计量的气-油比高的贫油混合物，其中贫油混合物能够被后一次喷射循环喷射的燃油的火焰传播，引起在主燃烧阶段的主燃烧，其中在燃烧室中发生的约10％到90％喷射的燃油在燃烧室中燃烧，并且当催化剂处于未加热状态，延迟点火设备的点火点一定的量，超过最小点火提前以获得最佳的扭矩(MBT)。
进行本发明的所述第一方面催化剂触发方法的催化剂触发设备构造如下。
具体说来，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发设备包括，一个温度状态鉴别器，用于判断催化剂的温度状态，一个喷射控制器，用于控制从喷嘴喷出的燃油，和一个点火时序控制器，用于控制点火设备的点火点，其中燃油喷射控制器基于温度状态鉴别器的判断结果控制喷嘴，当催化剂处于未加热状态，温度低于其活化温度，从进气冲程到点火点使喷嘴至少进行两-步分次喷射，该分次喷射包括一个后一次喷射循环，提供在燃烧室的气-油比具有局部不均匀性的混合物，前一次喷射循环在后一次喷射之前喷射燃油产生气-油比比化学计量的气-油比高的贫油混合物，其中贫油混合物能够被后一次喷射循环喷射的燃油的火焰传播，引起在主燃烧阶段的主要燃烧，其中在燃烧室中发生的约10％到90％喷射的燃油在燃烧室中燃烧，并且当催化剂处于未加热状态，在进行分次喷射时延迟点火设备的点火点一定的量，超过最小点火提前以获得最佳的扭矩(MBT)，。
根据本发明第一方面的所述催化剂触发方法和设备，喷嘴在催化剂处于未加热状态进行分次喷射，其中后一次喷射产生在燃烧室有局部不均匀性的混合物，产生一种至少在火花塞周围局部存在相对富油的混合物的条件。结果，增加了在燃烧期前半部分的易燃性和燃烧性，在前一次喷射循环中喷射的燃油与在后一次喷射循环喷射的部分燃油混合，产生均匀和贫油的混合物能够被在后一次喷射循环中喷射的燃油燃烧的火焰传播。这种贫油混合物在燃烧阶段的后半部分缓慢燃烧。
因此，从燃烧室释放的尾气中的HC和NOx就降低，尾气温度就增加，造成催化剂进行催化剂的迅速触发。而且，由于燃烧性的增加有可能设定点火时序延迟的量更大，因所述分次喷射和点火时序延迟的协同效果，增加了HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果。
在所述的本发明的第一方面中，在进行的分次喷射过程中优选在压缩冲程进行后一次喷射循环，在进气冲程中进行前一次喷射循环。按照这一安排，有可能达到一种满意的条件，在该条件下通过后一次喷射在燃烧室产生具有局部不均匀性的混合物，由前一次喷射循环产生的贫油混合物适合于缓慢燃烧。
尤其是，如果在压缩冲程的中间部分进行后一次喷射循环，可以有效产生具有局部不均匀性的混合物。进而，优选在压缩冲程进行四分之三进行后一次喷射。这是因为如果后一次喷射启始点延迟超过这一时序点就将丧失燃烧稳定性。
当通过进行所述在压缩冲程的后一次喷射循环在燃烧室内产生具有局部不均匀性的混合物，这种混合物浓度的不均匀性不仅在混合物分层到火花塞时产生，而且在混合物以正向的途径(positive way)分层的发动机中产生。尤其是，可以构造一种发动机，使得安装在发动机汽缸内腔并形成燃烧室底面的的活塞是一种平坦的活塞，没有用来俘获混合物形成分层进料的空腔，燃烧室的结构适合于分散喷射的燃油。这一构造产生了一种条件，其中比其它部分局部富油的混合物被分散在燃烧室中，确保满意的可燃性和燃烧性。
进而，把整个燃烧室的气-油比设定在13到17的范围之内，在前一次喷射循环喷射的燃油的量为喷射燃油总量的1/5或更多，这样，在催化剂处于未加热状态就能产生比化学计量的气-油比更高的气-油比的贫油混合物。以这样的安排，在前一次喷射循环喷射的燃油产生的均匀和贫油的混合物和这种贫油混合物就能够被在后一次喷射循环中喷射的燃油的火焰传播，这样就能在在燃烧冲程后半部分有效地进行缓慢燃烧。把气-油比设定在13到17的范围的原因是在这一范围可获得高的热释放率，并有可能使用增加尾气温度的气-油比。
如果设定前一次喷射循环喷射的燃油的量，使得前一次喷射循环单独获得的在燃烧室的气-油比等于或少于分次喷射的70，这时催化剂处于未加热状态，在后一次喷射循环中喷射的燃油燃烧引起的火焰传播在一种条件下能够有效进行，该条件是在至少前一次喷射循环中和后一次喷射循环中喷射的部分燃油混合。
进而，可以在分次喷射的低-速，低-载荷范围把点火点延迟到或超过压缩冲程的上部死点，这时催化剂处于未加热状态。在低-速、低-载荷范围，这时扭矩的需要相对低，通过延迟点火时序到很大的程度能增强HC和NOx的降低和催化剂的迅速触发效果。
根据本发明所述第一方面的催化剂触发方法可以是，当催化剂处于未加热状态，在低速，低载荷范围从进气冲程到点火点进行分次喷射，其中后一次喷射的启始点被设定在压缩冲程的中部或之后，但是在压缩冲程进行的四分之三之前，至少在低速，低载荷范围把点火点延迟到或超过压缩冲程的上部死点，在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围。当分次喷射被有效进行时，由于如上所述的这一安排的分次喷射燃烧稳定性得到加强，在低速，低载荷范围点火点可以很大程度上延迟到或超过压缩冲程的上部死点，其中所需的扭矩相对低，因此，增强了NOx降低和催化剂迅速触发的效果。
当进行分次喷射和在低速，低载荷范围点火点可以很大程度上延迟到或超过压缩冲程的上部死点，这时催化剂处于未加热状态，燃烧过程易于变得不稳定。在这种情况下，可以通过设定点火点在压缩冲程的上部死点之前达到燃烧稳定性。
而且，在低速，低载荷范围，这时催化剂处于未加热状态，可以随着发动机载荷的增加逐渐增加从MBT点延迟点火点的量。因为在低速，低载荷范围内发动机载荷移向较高-载荷端，其中所需的扭矩相对低，燃烧稳定性增加更多，点火点延迟增加的量可以增加相应的量。
即使当催化剂处于未加热状态，也优选随着在发动机载荷特定载荷的增加而逐渐降低从MBT延迟的点火点的量，获得所需的扭矩。
本发明的构造可以是，当催化剂处于未加热状态进行分次喷射，在进气冲程进行前一次喷射循环，在压缩冲程进行后一次喷射循环，其中后一次喷射的启始点是被设定在压缩冲程进行的四分之三之前进行的，在前一次喷射循环中喷射的燃油等于或大于在后一次喷射中喷射的燃油的量，低速，低载荷范围点火点延迟到或超过压缩冲程的上部死点。当使用这种构造时，由于分次喷射和点火时序延迟的协同效果增加了HC和NOx的降低和催化剂触发的效果。
本发明的第二方面，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发方法包括，当催化剂处于未加热状态，温度低于其活化温度，从进气冲程到点火点使喷嘴至少进行两-步分次喷射，分次喷射包括一个在进气冲程进行的前一次喷射和在压缩冲程中部或之后但在压缩冲程进行四分之三之前进行的后一次喷射循环，其中在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，在前一次喷射循环喷射的燃油的量被设定在喷射燃油总量的约1/5到约4/5，除了空转速率范围和非-转载范围，在低速，低载荷范围延迟点火设备的点火点到或超过压缩冲程的上部死点。
进行本发明的所述第二方面催化剂触发方法的催化剂触发设备构造如下。
具体说来，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发设备包括，一个温度状态鉴别器，用于判断催化剂的温度状态，一个喷射控制器，用于控制从喷嘴喷出的燃油，和一个点火时序控制器，用于控制点火设备的点火点，其中燃油喷射控制器基于温度状态鉴别器的判断结果控制喷嘴，当催化剂处于未加热状态，温度低于其活化温度，从进气冲程到点火点使喷嘴至少进行两-步分次喷射，分次喷射包括一个在进气冲程进行的前一次喷射和在压缩冲程中部或之后但在压缩冲程进行四分之三之前进行的后一次喷射循环，其中当催化剂处于未加热状态，其温度低于其活化温度，在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，在前一次喷射循环喷射的燃油的量被设定在喷射燃油总量的约1/5到约4/5，当催化剂处于未加热状态进行分次喷射，在低速，低载荷范围点火时序控制器基于的催化剂的温度状态和载荷条件延迟点火点到或超过压缩冲程的上部死点。
根据本发明第二方面的所述催化剂触发方法和设备，分次喷射包括一个在进气冲程进行的前一次喷射循环和在压缩冲程的后一次喷射循环，这时催化剂处于未加热状态，其中后一次喷射是在压缩冲程的中部或之后，但在压缩冲程进行四分之三之前进行，在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，在前一次喷射循环喷射的燃油的量被设定在喷射燃油总量的约1/5到约4/5。因此，就获得了HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果，增强了燃烧的稳定性。然后，由于协同的效果，在低速，低载荷范围延迟点火点到一定程度。
在本发明所述的第二个方面中，有利于提高燃烧的稳定性，例如，在分次喷射的前一次喷射循环中喷射的燃油的量等于或大于后一次喷射循环的喷射的燃油的量，在后一次喷射中喷射的燃油的量等于或大于燃油喷射总量的1/5，这时催化剂处于未加热状态。
本发明的第三方面，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发方法是，当催化剂处于加热状态，温度等于或高于其活化温度，在进气冲程的低速低载荷范围使喷嘴喷射燃油进行均匀燃烧，其中在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，当催化剂处于未加热状态，其温度小于其活化温度，用喷嘴进行分次喷射，包括在前一次喷射循环喷射燃油总量的约1/5到约4/5的燃油，后一次喷射循环在低速，低载荷范围喷射喷射总量剩余的燃油，其中前一次喷射循环产生均匀和贫油混合物和后一次喷射循环使燃烧室的燃油产生不均匀的，形成比其它部分局部富油的混合物，并把它们分散在燃烧室中，同在催化剂处于加热状态下相同的转速和载荷条件下相比，点火设备的点火点延迟。
进行本发明的所述第三方面催化剂触发方法的催化剂触发设备构造如下。
具体说来，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发设备包括，一个温度状态鉴别器，用于判断催化剂的温度状态，一个喷射控制器，用于控制从喷嘴喷出的燃油，和一个点火时序控制器，用于控制点火设备的点火点，其中当催化剂处于加热状态，温度等于或高于于其活化温度，燃油喷射控制器基于温度状态鉴别器的判断结果控制喷嘴，在进气冲程的低速低载荷范围使喷嘴喷射燃油进行均匀燃烧，其中在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，喷嘴进行分次喷射，前一次喷射循环喷射燃油总量的约1/5到约4/5的燃油，后一次喷射循环在低速，低载荷范围喷射喷射总量剩余的燃油，其中前一次喷射循环产生均匀的和贫油的混合物，而后一次喷射循环使燃烧室的燃油产生不均匀性，形成比其它部分局部富油的混合物，并把它们分散在燃烧室中，这时催化剂处于未加热状态，其温度小于其活化温度，点火时序控制器控制点火装置，同在相同的转速和载荷条件下，催化剂处于加热状态下相比，点火设备的点火点延迟，而进行分次喷射这时的催化剂处于未加热状态。
根据本发明所述的第三方面，当催化剂处于未加热状态，在低速，低载荷范围进行分次喷射，其中前一次喷射循环产生分散在燃烧室中的不均匀的贫油化合物，后一次喷射循环使在燃烧室的混合物产生不均匀性，这样就获得了分散在燃烧室的比其它部分局部富油的混合物，在这种条件下进行燃烧。结果，就获得了HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果，增强了燃烧的稳定性。然后，点火点相应延迟，由于协同效应，增加了所述的效果。在催化剂被加热后，在进气冲程喷射燃油，并在低速，低载荷范围进行均匀燃烧。
本发明的第四方面，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发方法是，当催化剂处于加热状态，温度等于或高于其活化温度，在压缩冲程的低速低载荷范围使喷嘴喷射燃油进行分层加料燃烧，其中在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，当催化剂处于未加热状态，其温度小于其活化温度，用喷嘴进行分次喷射，包括在前一次喷射循环喷射燃油总量的约1/5到约4/5的燃油，在压缩冲程中部后之后进行后一次喷射循环，在低速，低载荷范围喷射喷射总量剩余的燃油，其中在前一次喷射循环产生均匀的贫油混合物，而后一次喷射循环使燃烧室的燃油产生不均匀性，形成比其它部分局部富油的混合物，并把它们分散在燃烧室中，同在相同的转速和载荷条件下，这时催化剂处于加热状态下相比，点火设备的点火点延迟。
进行本发明的所述第四方面催化剂触发方法的催化剂触发设备构造如下。
具体说来，直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，用于直喷式发动机的催化剂触发设备包括，一个温度状态鉴别器，用于判断催化剂的温度状态，一个喷射控制器，用于控制从喷嘴喷出的燃油，和一个点火时序控制器，用于控制点火设备的点火点，其中燃油喷射控制器基于温度状态鉴别器的判断结果控制喷嘴，在压缩冲程的低速低载荷范围使喷嘴喷射燃油进行分层进料燃烧，这时催化剂处于加热状态，温度等于或高于于其活化温度，其中在整个燃烧室的气-油比被设定在13到17的范围，使喷嘴进行分次喷射，包括前一次喷射循环喷射燃油总量的约1/5到约4/5的燃油，在压缩冲程中部或之后进行后一次喷射循环，在低速，低载荷范围喷射喷射总量剩余的燃油，其中在前一次喷射循环产生均匀的贫油混合物，而后一次喷射循环使燃烧室的燃油产生不均匀性，形成燃烧室内局部富油的混合物，这时催化剂处于未加热状态，其温度小于其活化温度，点火时序控制器控制点火时序，同在相同的转速和载荷条件下，催化剂处于加热状态下相比，点火设备的点火点延迟。
根据本发明所述的第四方面，在低速，低载荷范围进行分次喷射，这时催化剂处于未加热状态，其中前一次喷射循环产生分散在燃烧室中的均匀的贫油化合物，后一次喷射循环使在燃烧室的混合物产生不均匀性，在这种条件下进行燃烧。结果，就获得了HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果，增强了燃烧的稳定性。然后，点火点相应延迟，由于协同效应，增加了所述的效果。在催化剂被加热后，在压缩冲程内喷射燃油，并在低速，低载荷范围进行分层加料燃烧。
在本发明所述的第三和第四方面，优选在压缩冲程的120°BTDC到45°BTDC进行分次喷射的后一次喷射，催化剂在未加热状态。进而，当催化剂处于未加热的状态，进行分次喷射时把点火时序延迟到或超过低速，低载荷范围压缩冲程的上部死点。这些设定起到增加HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果。
在本发明的每一方面，优选控制发动机，使得当催化剂处于未加热状态时空转速率变得比其在加热状态下更高。根据这样的安排，不仅由于分次喷射，而且由于增加的发动机转速，在催化剂未加热状态下的可燃性和点火时序延迟极限将增加，这样HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果进一步增加。
进而，优选提供湍流增强设备来促进在燃烧室的湍流。以这样的安排，当进行分次喷射同时催化剂处于未加热状态，增强的湍流将增加燃烧的稳定性和点火时序延迟极限，这样HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果进一步增加。
从上述讨论中可以理解到，根据本发明，由于在直喷式发动机中采用分次喷射释放的HC和NOx降低，尾气温度增加，这时催化剂处于未加热状态，其温度低于其活化温度。进而，因为燃烧稳定性增强，点火时序可以延迟相应的量。分次喷射和点火时序延迟的协同效果使得在催化剂始终处于未加热状态时有可能显著增加HC的NOx降低和催化剂迅速触发的效果。
通过在压缩冲程的中部或之后但在压缩冲程进行的四分之三之前进行后一次喷射循环增加燃烧的稳定性，设定整个燃烧室的气-油比在13到17，设定在前一次喷射循环喷射的燃油的量为喷射的燃油总量的1/5到4/5，在特定的低速低载荷范围延迟点火时序到或超过压缩冲程上部死点，使在催化剂未加热的状态HC和NOx降低和催化剂迅速触发的效果可以增加更多。

Claims (11)

1.用于直喷式发动机的催化剂触发方法，该直喷式发动机在尾气通道有转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和点燃燃烧室的混合物的点火设备，该方法包括，当催化剂处于未加热状态，温度低于活化温度，从进气冲程到点火点使喷嘴至少进行两-步分次喷射，该分次喷射包括
一个后一次喷射循环，产生在燃烧室的气-油比具有局部不均匀性的混合物，一个前一次喷射循环，在后一次喷射之前喷射燃油产生气-油比比化学计量的气-油比更高的贫油混合物，其中贫油混合物能够被后一次喷射循环喷射的燃油的火焰传播，引起在主燃烧阶段的主燃烧，其中在燃烧室中发生的燃烧过程中约10％到90％喷射的燃油被燃烧；并且在催化剂处于未加热状态时，使点火设备的点火点延迟一定的量，超过最小点火提前以获得最佳的扭矩(MBT)。
2.根据权利要求1所述的用于直喷式发动机的催化剂触发方法，其特征在于当催化剂处于未加热状态进行分次喷射循环，在压缩冲程内进行后一次喷油，在进气冲程内进行前一次喷油，其中后一次喷射循环是在压缩冲程进程四分之三之前开始喷射。
3.根据权利要求2所述的用于直喷式发动机的催化剂触发方法，其特征在于当催化剂处于未加热状态进行分次喷射循环，使在前一次喷射循环中喷射的燃油的量比在后一次喷射循环喷射的燃油量多，其中在低-速，低-载荷范围使点火点延迟到或超过压缩冲程的上部死点。
4.根据权利要求1所述的用于直喷式发动机的催化剂触发方法，其特征在于当催化剂处于未加热状态进行分次喷射循环，在进气冲程进行前一次喷油循环，在压缩冲程中部或之后但在压缩冲程进程的四分之三之前进行后一次喷油循环，将整个燃烧室中的气-油比设定在13到17，在前一次喷射循环喷射的燃油的量设定在喷射的燃油总量的1/5到4/5，其中不包括空转速度范围和非-载荷范围，在低-速，低-载荷范围使得点火设备的点火点延迟到或超过压缩冲程的上部死点。
5.根据权利要求1所述的用于直喷式发动机的催化剂触发方法，其特征在于
当催化剂处于加热状态，其温度等于或高于其活化温度时，在低-速，低载荷范围通过使喷嘴在进气冲程喷射燃油进行不均匀燃烧，其中
当催化剂处于未加热状态，其温度低于其活化温度时，在低-速，低载荷范围将整个燃烧室的气-油比设定在13到17的范围之内，在低-速，低载荷范围使喷嘴进行分次喷射，包括在进气冲程内进行的前一次喷射循环，喷射的燃油量为喷射的燃油总量的1/5到4/5，在压缩冲程中部或之后进行后一次喷射循环，喷射要喷射的燃油总量的剩余部分，其中前一次喷射循环在燃烧室产生均匀和贫油的混合物，后一次喷射过程使燃烧室的混合物产生不均匀性，在燃烧室中形成比其它部分局部更富油的混合物，并把它们分散开来，以及
当催化剂处于加热状态，同在相同发动机转速和载荷条件设定的点火点相比，点火设备的点火点得到延迟。
6.一种用于直喷式发动机的催化剂触发设备，该直喷式发动机在尾气通道有用于转化尾气的催化剂，有一个用来直接把燃油喷射进燃烧室的喷嘴，和一个点燃燃烧室的混合物的点火设备，该催化剂触发设备包括：
一个温度状态鉴别器，用于判断催化剂的温度状态；
一个燃油喷射控制器，用于控制从喷嘴喷出的燃油；和
一个点火时序控制器，用于控制点火设备的点火点；
其中当催化剂处于未加热状态，其温度低于其活化温度，燃油喷射控制器基于温度状态鉴别器的判断结果控制喷嘴，在从进气冲程到点火点这段时间使喷嘴至少进行两-步分次喷射，分次喷射包括：
一个后一次喷射循环，产生具有气-油比局部不均匀性的混合物，和
一个前一次喷射循环，在后一次喷射之前喷射燃油，产生气-油比比化学计量的气-油比更高的贫油混合物，其中贫油混合物能够被后一次喷射循环喷射的燃油的火焰传播和燃烧，并引起在主燃烧阶段的主燃烧，其中在燃烧室中发生的燃烧过程烧掉约10质量％到90质量％喷射的燃油；并且
当催化剂处于未加热状态时进行分次喷射，点火时序控制器控制点火设备，使点火点延迟一定的量，超过最小点火提前以获得最佳的扭矩(MBT)。
7.根据权利要求6所述的用于直喷式发动机的催化剂触发设备，其特征在于当催化剂处于未加热状态进行分次喷射循环，燃油喷射控制器控制喷嘴，使得在压缩冲程进行后一次喷射，在进气冲程进行前一次喷射，其中在压缩冲程进程四分之三之前开始后一次喷射。
8.根据权利要求6或7所述的用于直喷式发动机的催化剂触发设备，其特征在于安装在发动机汽缸内腔并形成燃烧室底面的的活塞是一种平坦的活塞，没有用来俘获混合物形成分层进料的空腔，在催化剂处于未加热状态时进行分次喷射的后一次喷射循环，其中比其它部分局部富油的混合物被分散在燃烧室中。
9.根据权利要求7所述的用于直喷式发动机的催化剂触发设备，其特征在于当催化剂处于未加热状态进行分次喷射循环，燃油喷射控制器使在前一次喷射循环喷射的燃油的量比在后一次喷射循环喷射的燃油量多，在低-速，低-载荷范围点火时序控制器使点火点延迟到或超过压缩冲程的上部死点。
10.根据权利要求6所述的用于直喷式发动机的催化剂触发设备，其特征在于
当催化剂处于未加热状态，其温度低于其活化温度时，燃油喷射控制器基于温度状态鉴别器的判断结果控制喷嘴进行分次喷射，在进气冲程进行前一次喷油循环，在压缩冲程中间部分或之后但在压缩冲程进程的四分之三之前进行后一次喷油循环，设定整个燃烧室的气-油比在13到17的范围之内，设定前一次喷射循环喷射的燃油量为喷射的燃油总量的1/5到4/5，并且
当催化剂处于未加热状态进行分次喷射时，点火时序控制器基于催化剂的温度状态和载荷条件延迟点火点到或超过低-速，低-载荷范围的压缩冲程的上部死点。
11.根据权利要求6所述的用于直喷式发动机的催化剂触发设备，其特征在于当催化剂处于加热状态，其温度等于或高于其活化温度时，燃油喷射控制器基于温度状态和载荷条件控制燃油喷射，在低-速，低载荷范围通过使喷嘴在进气冲程喷射燃油进行均匀燃烧，使得在低-速，低载荷范围将整个燃烧室的气-油比设定在13到17的范围之内，当催化剂处于未加热状态，其温度低于其活化温度时，在低-速，低载荷范围使喷嘴进行分次喷射，包括在进气冲程内进行的前一次喷射循环，喷射的燃油量为喷射的燃油总量的1/5到4/5，在压缩冲程中间部分或之后进行后一次喷射循环，喷射要喷射的燃油总量的剩余部分，其中前一次喷射循环在燃烧室产生均匀和贫油的混合物，后一次喷射过程使燃烧室的混合物产生不均匀性，在燃烧室中形成比其它部分局部富油的混合物，并把它们分散开来，以及
当催化剂处于未加热状态进行分次喷射，点火时序控制器控制点火设备，使得同催化剂处于加热状态，在相同发动机转速和载荷条件设定的点火点相比，发动机的点火点得以延迟。
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