CN102606329A - 内燃机的控制装置及内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在孔口喷射式火花点火式内燃机中能够容易地切换分层运转模式与非分层运转模式的内燃机的控制装置。使从燃料喷射阀(20)喷射的喷雾燃料(F)的喷射方向(L20)比两个进气门(7A、7B)的中心朝向气缸(11)的中心侧，以在排气冲程内使燃料喷射结束的分层运转模式和从压缩冲程到排气冲程内使燃料喷射结束的非分层运转模式来控制燃料喷射阀(20)的喷射时间，使分层运转模式时的燃料喷射阀(20)的喷射结束时间晚于非分层运转模式时的喷射结束时间，该非分层运转模式时的燃料喷射时间与分层运转模式时的燃料喷射时间相同或短于分层运转模式时的燃料喷射时间。

Description

内燃机的控制装置及内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机的控制装置及内燃机，特别是涉及能够容易地切换分层燃烧和均质燃烧的内燃机的控制装置及内燃机。
背景技术
在火花点火式内燃机中，公知具有使燃烧室内的混合气体的燃料浓度均匀地进行燃烧的均质运转模式和使火花塞周围的燃料浓度比其他部分的燃料浓度高地进行燃烧的分层运转模式。在均质燃烧模式下，由于在燃料与空气较好地混合的状态下进行燃烧，因此具有不完全燃烧或烟的排出较少这样的优点。其另一方面，在分层燃烧模式下，由于对混合气体的点火性较好，而且初期的火焰传播速度较快，因此具有能够抑制与燃料的点火、初期火焰传播的不良相伴的周期变动这样的优点。因而，当欲使稀薄的混合气体或被大量的排气再循环(EGR)气体稀释而成的混合气体稳定地燃烧时，使用该分层燃烧模式。另外，在火花点火式内燃机中，公知有在刚冷起动后为了尽快使催化剂活化而使点火时间(日文：時期)滞后至膨胀冲程的初期的情况，在该点火滞后(日文：遅角)时也是，为了使燃烧稳定也使用上述分层运转模式。这样，由于均质运转模式和分层运转模式分别具有不同的优点，因此优选根据所需要的运转状态在均质运转模式与分层运转模式之间切换内燃机的运转模式。
例如专利文献1公开了一种在气口喷射式的火花点火式内燃机中切换均质运转模式与分层运转模式的以往技术。该以往技术是以从位于两个进气口的每一个上的燃料喷射阀喷射的喷雾燃料在燃烧室的内部交叉的方式设定其喷射方向，当将燃烧方式设为均质燃烧时，在进气冲程以前喷射燃料，当将燃烧方式设为分层燃烧时，在进气冲程中喷射燃料。由此，在进气冲程中从两个燃料喷射阀喷射的喷雾燃料在燃烧室内相互撞击，燃料变细微并且抑制了燃料向燃烧室扩散，从而在燃烧室内形成了分层混合气体。
另外，专利文献2公开了一种在气口喷射式的火花点火式内燃机中形成分层混合气体的另一以往技术。该以往技术是将用于分为点火部件侧通路和点火部件相反侧通路的分隔壁设置在进气口上，并且该分隔壁形成为遍及比进气门的杆靠上游侧的进气口的大致整个区域。通过如此在进气口内设置分隔壁，能够与运转条件无关地总是在燃烧室内形成分层混合气体。
专利文献1：日本特开2009-216004号公报
专利文献2：日本特开平6-108951号公报
但是，当在进气冲程中喷射燃料时，许多喷雾燃料经由进气门的开口部直接流入燃烧室内。一般地由于在喷雾燃料中含有各种粒径的液滴，因此当在进气冲程中喷射燃料时，粒径比较大的液滴也直接流入燃烧室内。这种粒径较大的液滴具有较强的惯性力，与燃烧室的壁面相撞击而易于形成液膜，由于在燃烧室的壁面上成为液膜的燃料难以蒸发，因此成为未燃HC或烟而排出的可能性较高。在专利文献1所公开的内燃机中，虽然通过使喷雾燃料在燃烧室内相撞击能够减少到达燃烧室壁面的液滴，但是存在有由于撞击而再次飞溅的液滴附着在壁面上这样的问题。另外，为了使喷雾燃料在燃烧室内彼此撞击，需要准确地限定燃料的喷射方向，也存在有内燃机的制作公差变严格这样的问题。而且，当在进气冲程中喷射燃料时，喷雾燃料的动作易于受到在进气冲程中产生的气流的影响，因此也存在有内燃机的转速、相对于负载的鲁棒性降低这样的问题。
另外，在专利文献2所公开的内燃机中，虽然能够与运转条件无关地总是形成分层混合气体，但是不能享有已述的均质混合气体的优点。另外，通过在进气口内设置分隔壁，进气口的流量系数减小，产生了内燃机的输出降低这样的问题或内燃机的制造工时增加这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供能够一边抑制内燃机的性能降低一边容易地切换分层运转模式与非分层运转模式(均质运转模式)的内燃机的控制装置及内燃机。
为了解决上述问题，本发明的内燃机的控制装置的内燃机具有：气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，它们分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其中，上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点。
采用上述技术方案，通过在排气冲程内从燃料喷射阀向比两个进气门的中心靠连接上述两个进气门的中心的线段的中点喷射燃料，许多燃料液滴漂浮在进气门的气缸中心侧的表面附近。在此，当从喷射结束时间到进气上止点的期间较长时，漂浮液滴分散在进气门的整个表面上。当在该状态下打开进气门开始进气冲程时，燃料液滴在燃烧室内均匀地分散而形成了均质混合气体。另一方面，当推迟喷射结束时间而缩短从喷射结束时间到进气上止点的期间时，在漂浮液滴分散于进气门整个表面上之前开始进气冲程，更多的燃料液滴从进气门的气体中心侧的开口部进入燃烧室内，因此形成了分层混合气体。这样，通过在进气冲程开始之前喷射燃料，粒径比较大的液滴附着在进气门上，粒径比较小的液滴选择性地在进气冲程流入，能够抑制成为未燃HC或烟排出的原因的燃料向燃烧室壁面的附着。
根据以上说明可知，采用本发明，能够根据燃料喷射时间容易地切换均质混合气体与分层混合气体的形成。另外，不需要进气口内的附加的分隔壁等，并且能够抑制内燃机的输出或燃烧消耗率的降低、内燃机制造工时的增大。
上述说明以外的问题、结构及效果通过以下实施方式的说明来进行明确。
附图说明
图1是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例1的内燃机整体的纵剖视图。
图2是图1所示的内燃机的燃料喷射部分的放大上部俯视图。
图3是表示图2所示的燃料喷射阀的燃料喷射方向的图。
图4是说明从图2所示的燃料喷射阀喷射的喷雾燃料的流量通量分布的图，(a)是说明从燃料喷射阀喷射的喷雾燃料的定义的图，(b)～(d)分别是说明喷雾燃料的每种形态的流量通量分布的等高线图。
图5是表示图1所示的内燃机的周期与进气门及排气门的打开时间的关系的图。
图6是图1所示的内燃机起动后的控制流程图。
图7是按时间顺序表示基于图6所示的控制流程的控制操作的推移的图。
图8是表示基于图6所示的控制流程的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(a)是表示暖机模式时(分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(b)是表示暖机模式结束时(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。
图9是表示实施例1的暖机模式时(分层运转模式)的喷雾燃料的形态的图，(a)是表示进气上止点的喷雾燃料的形态的图，(b)是表示进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。
图10是从排气侧观察图9的(a)所示的喷雾燃料的形态的示意图。
图11是示意性表示图1所示的内燃机的、从进气冲程到压缩冲程的燃烧室内的空气流动的立体图。
图12是示意性表示图1所示的内燃机的、暖机模式时(分层运转模式)的燃料点火时间的燃烧室内的混合气体分布的立体图。
图13是表示实施例1的暖机模式结束时(非分层运转模式)的喷雾燃料的形态的图，(a)是表示燃料喷射结束与进气上止点的中间时间的喷雾燃料的形态的图，(b)是表示进气上止点的喷雾燃料的形态的图，(c)是表示进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。
图14是从排气侧观察图13的(a)所示的喷雾燃料的形态的示意图。
图15是表示图13的(b)中的进气门附近的空气流动的立体图。
图16是表示斯托克斯数与燃料的壁面附着率的关系的图。
图17是表示斯托克斯数为1时的、燃料喷射速度与索特(日文：ザウタ)平均粒径的关系的图。
图18是表示适合于实施例1的燃料喷射阀的喷嘴前端部的形态的纵剖视图。
图19是图18的B-B向视图，是说明节流板(日文：オリフィスプレ一ト)与燃料的流动的图。
图20是说明从图18所示的喷口喷射的液膜的纵剖视图。
图21是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例2的内燃机的燃料喷射部分的放大上部俯视图。
图22是说明喷雾燃料的形态的图，(a)是说明喷雾燃料的中心轴线的图，(b)是说明喷雾燃料的流量通量分布的等高线图，(c)是说明(b)所示的流量通量的累积的图。
图23是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例3的内燃机的燃料喷射部分的放大上部俯视图。
图24是说明图23所示的燃料喷射阀的喷射锥形角的图。
图25是应用了本发明的内燃机的控制装置的实施例4的内燃机的、EGR量相对于转速和扭矩的设定的图。
图26是实施例4中的EGR运转时的控制流程图。
图27是说明实施例4中的分层运转模式与非分层运转模式相对于EGR阀开度与节流阀开度的设定区域的图。
图28是表示实施例4的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(a)是表示图27所示的A点(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(b)是表示B点(分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。
图29是说明实施例4中的分层运转模式与非分层运转模式相对于EGR阀开度与节流阀开度的设定区域的图。
图30是表示实施例4中的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(a)是表示图29所示的C点(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(b)是表示D点(分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，(c)是表示E点(非分层运转模式)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。
图31是表示进气门与排气门相对于内燃机的冲程的开闭时机的图，(a)是表示适合于分层运转模式的进气门与排气门的开闭时刻的图，(b)是表示适合于非分层运转模式的进气门与排气门的开闭时机的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的内燃机的控制装置的实施方式。
实施例1
首先，参照图1～图22详细说明本发明的内燃机的控制装置的实施例1。图1及图2是表示应用了上述实施例1的内燃机的基本结构的图，图1表示该内燃机整体的纵剖视图，图2表示内燃机的燃料喷射部分的示意性放大上部俯视图。另外，在以下所述的实施例1～4中，抽出内燃机所具有的单个气缸进行说明，但是这些实施例能够应用于单气缸及多气缸内燃机。
图1所示的内燃机1具有气缸体2、气缸盖9、***气缸体2中的活塞3，由该气缸体2和气缸盖9形成了内燃机1的气缸11，并且在气缸11内形成有燃烧室4。另外，形成有进气口5和排气口6，该进气口5和排气口6与气缸11相连接，经由气缸11的气缸盖9的进气开口部12和排气开口部13向燃烧室4开口并与该燃烧室4流体连通。而且，用于分别使该进气开口部12和排气开口部13开闭的两个进气门7和排气门8(参照图2)配置在气缸盖9的进气口5和排气口6内。另外，利用未图示的可变气门正时机构(VTC)能够改变该进气门7的打开时间、关闭时间。而且，从内燃机1所具有的燃料喷射阀20沿喷射方向L20喷射到进气口5内的燃料F，在进气门7打开时经由进气开口部12从进气口5向燃烧室4供给。
另外，在进气口5的上游部，设有用于调整流入燃烧室4内的空气的量的节流阀26和用于检测空气流量的空气流量计27。而且，排气口6和进气口5借助于EGR管(Exhaust Gas Recirculation：排气再循环装置)28相连接，排气口6的一部分排气通过EGR管28返回进气口5内。另外，利用EGR阀29的开度来调整在EGR管28内流动的排气流量。
另外，在排气口6的下游部设有催化剂转换器23。在此，催化剂转换器23是在氧化铝、氧化铈等载体上涂布了铂、钯等的三元催化剂***，利用排气中的一氧化碳(CO)、未燃碳化氢(HC)的氧化反应和氮氧化物(NOx)的还原反应能够同时减少这三种有害成分。另外，为了利用催化剂转换器23高效率地净化上述排气，需要将催化剂温度设为活化温度(例如250℃)以上。
内燃机控制单元(ECU)21主要由微型计算机和读出专用存储器(ROM)构成，通过执行存储在ROM内的内燃机控制程序，能够控制燃料喷射阀20的燃料喷射时间、燃料喷射量、火花塞10的点火时间、节流阀26的开度、EGR阀29的开度、VTC相位角等。另外，ECU21读入由冷却水温度传感器25检测出的内燃机的冷却水温度、由催化剂温度传感器24检测出的催化剂温度、由空气流量计27检测出的空气流量、未图示的油门踏板的踏入量等，这些读入信息被用于燃料喷射阀20的燃料喷射时间、燃料喷射量、火花塞10的点火时间、节流阀26的开度、EGR阀29的开度、VTC相位角等的控制中。
另外，如图2所示，在实施例1中，在分支进气口(进气通路)5A、5B的上游侧，在该分支进气口5A、5B一体而成的进气口5上配置有两个燃料喷射阀20A、20B。而且，燃料喷射阀20A配置在能够朝向进气开口部12A的进气门7A喷射燃料的位置，燃料喷射阀20B配置在能够朝向进气开口部12B的进气门7B喷射燃料的位置，在燃烧室4的中心上部设有火花塞10。即，从燃料喷射阀20A喷射的喷雾燃料FA的喷射方向L20A指向进气门7A方向，从燃料喷射阀20B喷射的喷雾燃料FB的喷射方向L20B指向进气门7B方向。另外，以从燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB的液滴的粒径充分地缩小的方式(例如，索特平均粒径SMD成为20μm左右)来确定燃料喷射阀20A、20B的喷嘴形状、燃料喷射压力。另外，在进气门7A、7B的中心部分别设有用于使该进气门7A、7B能够沿轴向移动的进气门杆7SA、7SB，并且在燃料喷雾方向在进气门7A、7B的下游侧设有与进气门7A、7B相同数量的排气门8A、8B。
接着，参照图3及图4，更具体地说明由燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料的喷射方向与喷雾形态。
图3是示意性表示两个进气门7A、7B与从两个燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB的位置关系的图。在图示的实施例1中，当将连结两个进气门7A、7B的中心7AC、7BC的线段的中点设为C时，以喷雾燃料FA的中心轴线L20A穿过比进气门7A的中心靠中点C侧大概仅R/2(R为进气门7A的半径)的点TA的方式安装有燃料喷射阀20A，而且，以喷雾燃料FB的中心轴线L20B穿过比进气门7B的中心靠中点C侧大概仅R/2(R为进气门7B的半径)的点TB的方式安装有燃料喷射阀20B。另外，只要燃料喷射阀20A、20B以燃料喷射阀20A、20B的喷射方向L20A、L20B比对应的进气门7A、7B的中心7AC、7BC朝向中点C侧的方式安装在内燃机1上，就能够获得与以下所述的效果相同的效果。
图4是表示从燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料F的例子的图，图4的(a)是说明从燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料F的定义的图，(b)～(d)分别是表示喷雾燃料F的图4(a)中的A-A向视图的燃料流量通量(每单位面积的燃料流量)分布的例子的图。在此，A-A截面是指将燃料喷射阀20安装在内燃机1上时的、从燃料喷射阀20的喷嘴到进气门7表面的距离的截面位置，例如是喷嘴下方50mm～100mm的截面。
如图4的(a)所示，喷雾燃料F从燃料喷射阀20以喷雾锥形角θ的角度喷射，在A-A截面上具有宽度W。图4的(b)是表示该喷雾燃料F的形态的一个例子的图，在A-A截面上，在喷雾燃料F的中心获取流量的极大值，从中心朝向半径方向外侧直到直径W，流量呈同心圆状降低。另外，A-A截面上的喷雾燃料的截面形状并不限定于这种正圆，例如如图4的(c)所示，喷雾截面形状也可以是椭圆形状。另外，如图4的(d)所示，也可以是在喷雾截面内具有多个流量极大值的分布。另外，虽未图示，但是也可以像中空空心锥形喷雾那样，是喷雾燃料的中央部的流量通量小于周缘部的流量通量的喷雾形态。而且，优选图4的(a)所示的喷雾锥形角θ设定为进气门位置处的喷雾宽度W与进气门的半径R大致相等(参照图3)。
在此，内燃机1是如图5所示的四冲程内燃机，进气、压缩、膨胀、排气的各个冲程每隔曲柄角180°进行切换。在代表性的运转条件下(例如在暖机完成后的低负载条件时)，进气门7在进气冲程开始时打开，在压缩冲程的初期关闭。另外，排气门8在膨胀冲程后期打开，在排气冲程末期关闭。
在该内燃机1中，燃料F主要在排气冲程中喷射，点火主要在压缩冲程的后期进行。另外，来自燃料喷射阀20的燃料喷射量根据喷射时间(Ti)进行调整。即，燃料喷射量与Ti大致成比例，当燃料喷射量较少时，Ti缩短，当燃料喷射量较多时，Ti增长。例如当全负载运转时等的燃料喷射量较多时，有时Ti未在排气冲程内结束，即使从燃料喷射阀20开始喷射的时间在排气冲程内，喷射结束时间也在进气冲程内。另外，该喷射开始时间未必限于排气冲程内，有时也设定在压缩冲程或膨胀冲程内。这样，当将喷射开始时间设定在压缩冲程或膨胀冲程内时，与在排气冲程内开始喷射燃料的情况相比，燃料F从喷射到流入燃烧室4内的期间相对增长，因此能够促进进气口5内的燃料F的气化、混合。
另外，当主要在排气冲程中喷射燃料F时，能够利用进气门7的热量来促进燃料F气化，能够防止喷雾燃料F附着燃烧室4内的壁面上。但是，当在进气门7打开的进气冲程中喷射燃料F时，喷雾燃料F通过进气门7的进气开口部12直接流入燃烧室4内，该喷雾燃料F附着在燃烧室4内的壁面上。特别是在喷雾燃料F中粒径比较大的液滴的惯性力较大，当在进气冲程中喷射燃料F时，易于附着在燃烧室4内的壁面上。另外，当在进气冲程中喷射燃料时，借助于通过进气口5流入燃烧室4内的空气的流动，喷雾燃料F的速度被加速，因此易于附着在燃烧室4内的壁面上。这样，当喷雾燃料F附着在燃烧室4内的壁面上时，有可能未燃碳化氢(HC)或烟的排出量增大，或者燃烧室4内表面的润滑油被燃料F稀释而使活塞3划伤。
接着，参照图6及图7说明利用ECU21内的控制程序执行的内燃机1起动后的控制顺序。
图6是表示利用ECU21执行的内燃机1起动后的控制流程的图。首先，使内燃机1起动(S601)。通过利用启动机等使内燃机1的曲轴(未图示)以规定的速度旋转、向进气口5内喷射规定量的燃料F来进行内燃机1的起动。接着，ECU21根据催化剂温度传感器24的输出读入催化剂温度Tc(S602)，将催化剂温度Tc与预先设定的温度Ta进行比较(S603)。在此，Ta是用于判断三元催化剂的活化状态的温度，例如设定为250℃。当催化剂温度Tc低于Ta时，ECU21判断为三元催化剂未活化，以暖机模式使内燃机1运转(S604)，并且返回S602。另外，当催化剂温度Tc高于Ta时，ECU21判断为三元催化剂已活化，实施非暖机切换(S605)，并且之后以非暖机模式使内燃机1运转(S606)。
另外，关于是否是暖机模式的判断，除了使用催化剂温度Tc以外，也可以使用内燃机1的冷却水温或排气温度。例如，也可以在内燃机1的冷却水温或排气温度低于预先设定的温度时设为暖机模式，在内燃机1的冷却水温或排气温度高于预先设定的温度时实施非暖机切换。
另外，也可以使用从内燃机1起动经过的时间来实施是否是暖机模式的判断。例如，也可以在经过时间短于预先设定的规定时间时设为暖机模式，在经过时间超过预先设定的规定时间时实施非暖机切换。在此，上述规定时间也可以根据内燃机1起动时的冷却水温或进气温度来确定。
图7是表示从内燃机1起动到非暖机模式的油门操作(踏入)量、与该油门操作对应的内燃机1的状态、基于图6所示的控制流程的控制操作的推移的一个例子的图。
在本实施例1中，使用图7，在时刻t0使内燃机1起动，在维持无油门踏入(油门关闭)直至时刻t0～t3后，设想在时刻t3踏入油门恒定量(油门打开)时的内燃机1的运转状态，说明此时的内燃机扭矩、催化剂温度Tc、燃料喷射结束时间、燃料的点火时间的时间推移的一个例子。
在催化剂温度Tc低于活化判断温度Ta的时刻t0～t1，内燃机1以暖机模式运转。而且，在催化剂温度Tc超过活化判断温度Ta的时刻t1～t2，内燃机1实施非暖机切换，在时刻t2暖机模式结束。因而，在时刻t2以后，内燃机1以非暖机模式运转。
图8是表示基于图6所示的控制流程的、暖机模式时(时刻t0～t1)及暖机模式结束时(时刻t2)的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，图8的(a)是表示暖机模式时的燃料喷射时间与燃料点火时间的图，图8的(b)是表示暖机模式结束时的燃料喷射时间与燃料点火时间的图。另外，如下所述，可以将暖机模式时称作分层运转模式，将暖机模式结束时称作非分层运转模式。
在图8(a)所示的暖机模式时(时刻t0～t1)，燃料喷射Ti1的喷射结束时间θ-IT1被设定在排气冲程的后期(例如进气上止点前10°)。另外，暖机模式时的点火时间θ-IG1被设定在压缩冲程的上止点以后(例如压缩上止点后10°)。这样，在暖机模式时通过将点火时间设在压缩冲程的上止点以后，能够推迟燃烧的热量产生时间并提高排气温度，能够迅速地进行催化剂的升温、抑制刚冷起动后的排气有害成分的排出。
在图8的(b)所示的暖机模式结束时(时刻t2)，燃料喷射Ti2的喷射结束时间θ-IT2被设定在比暖机模式时(时刻t0～t1)的喷射结束时间θ-IT1靠提前(日文：進角)侧的排气冲程内(例如进气上止点前90°)。另外，暖机模式结束时的点火时间θ-IG2被设定在最高扭矩产生点火时间(MBT)。点火时间θ-IG2通常处于压缩冲程的后期，例如被设定在压缩上止点前10°。在此，暖机模式结束时的燃料喷射量被设定为内燃机扭矩与暖机模式时相同。另外，显而易见，当然暖机模式结束时的燃料喷射结束时间θ-IT2并不限定在排气冲程内，也可以在压缩冲程或膨胀冲程内，此时的喷射结束时间θ-IT2比暖机模式时的喷射结束时间θ-IT1提前。
在此，若比较图8的(a)与图8的(b)，则暖机模式结束时的燃料喷射时间Ti2相对短于暖机模式时的燃料喷射时间Ti1。这是由于在暖机模式结束时如上所述内燃机1以MBT运转、与使点火时间比MBT滞后了的暖机模式相比燃烧消耗率较好、因此所需燃料喷射量减少而引起的。
另外，在图8的(a)与图8的(b)之间的非暖机切换(时刻t1～t2)中，燃料喷射结束时间从图8的(a)所示的θ-IT1朝向图8(b)所示的θ-IT2平滑地提前，点火时间也从θ-IT1朝向θ-IT2平滑地提前。另外，根据燃料喷射时间或点火时间的变化适当地调整非暖机切换时的燃料喷射量以维持暖机模式时的内燃机扭矩。通过这些调整，有效地防止了从暖机模式向暖机模式结束转移时的扭矩级差的产生。
如上所述，在本实施例1中，以喷雾燃料F朝向两个进气门7的内侧的方式设定燃料喷射阀20及喷射方向L20，并且将暖机模式时的燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-IT1设定在排气冲程内，并且设定为相对于暖机模式结束时的燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-IT2靠滞后一侧。以下，说明通过如此限定燃料喷射方向L20、在暖机模式与暖机结束时改变喷射时间带来的作用和效果。
首先，图9是表示实施例1中的暖机模式时的喷雾燃料的形态的图，图9的(a)是表示进气上止点的喷雾燃料的形态的图，图9的(b)是进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。
如图9的(a)所示，在进气上止点，从燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB分别通过分支进气口5A、5B比进气门7A、7B的中心(进气门杆7SA、7SB的中心)朝向内侧(中点C侧)。在暖机模式时，由于燃料喷射的结束时间θ-IT1被设定在排气冲程后期(参照图8的(a))，因此从喷射结束到进气上止点的时间较短，喷雾燃料FA、FB偏向进气门7A、7B的内侧分布。如图10所示，当从内燃机1的排气侧观察图9的(a)中的喷雾状态时，喷雾燃料FA、FB的粒径较小(例如索特平均粒径为20μm)，因此所喷射的喷雾燃料FA、FB在从分支进气口5A、5B内的空气受到的阻力的作用下，其速度衰减。而且，在所喷射的喷雾燃料FA、FB中粒径比较大的大尺寸液滴A、大尺寸液滴B由于液滴的惯性力较强而附着在进气门7A、7B的表面上。其另一方面，粒径比较小的小尺寸液滴A、小尺寸液滴B由于液滴的惯性力较弱而未与进气门7A、7B相撞击，而是乘着从进气门7A、7B表面上卷的气流FL1A、FL1B在进气门7A、7B的表面附近漂浮。在此，气流FL1A、FL1B是因喷雾燃料FA、FB与分支进气口5A、5B内的空间之间的摩擦而产生的空气流。
接着，如图9的(b)所示，在进气冲程的初期，图9的(a)所示的偏向进气门7A、7B的内侧漂浮的液滴FA、FB通过进气开口部12A、12B的进气门7A、7B的内侧的开口部流入燃烧室4内。在此，如上所述，喷雾燃料FA、FB中粒径比较大的大尺寸液滴A、大尺寸液滴B由于附着在进气门7A、7B的表面上而未流入燃烧室4内，惯性力较弱的粒径比较小的小尺寸液滴A、小尺寸液滴B流入燃烧室4内。其结果，进入燃烧室4内的液滴难以附着在燃烧室4的壁面上。其另一方面，如图9的(a)所示，由于在进气门7A、7B的外侧未存在有燃料液滴，因此通过进气开口部12A、12B的进气门7A、7B的外侧的开口部流入燃烧室4内的液滴几乎不存在。其结果，在该进气冲程初期，在靠燃烧室4的中心(火花塞10附近)存在有许多燃料液滴。
图11是表示从进气冲程到压缩冲程的燃烧室4内的代表性的空气流动的图。如图所示，在燃烧室4内，利用从进气门7A、7B的开口部流入的空气流产生了纵向涡(也称作滚流)TFA、TFB。由于纵向涡TFA、TFB几乎没有沿着其旋转轴TC的方向的气体速度成分，因此，集中在靠燃烧室4中央的喷雾燃料和由该喷雾燃料气化而得到的燃料蒸气，几乎未向燃烧室4的外侧(纵向涡的旋转轴TC方向)分散，在压缩冲程的后期也留在燃烧室4的中央部。其结果，如图12所示，在作为该暖机模式时的点火时间的膨胀冲程(压缩冲程后的冲程)的初期，火花塞10周围的燃料浓度与其他部分的浓度相比也相对增高，形成了所谓的分层混合气体，由此，对混合气体的点火性较好，即使将点火时间推迟至膨胀冲程的初期也能够进行周期变动较少的稳定的燃烧。另外，如上所述，由于燃料难以附着在燃烧室4的壁面上，因此能够有效地抑制未燃HC或烟的排出。
相对于图9所示的暖机模式时，图13是表示实施例1中的暖机模式结束时的喷雾燃料的形态的图，图13的(a)是表示燃料喷射结束与进气上止点的中间时间的喷雾燃料的形态的图，图13的(b)是表示进气冲程上止点的喷雾燃料的形态的图，图13的(c)是表示进气冲程初期的喷雾燃料的形态的图。
如图13的(a)所示，在燃料喷射结束与进气上止点的中间左右的时间，从燃料喷射阀20A、20B喷射的喷雾燃料FA、FB分别通过分支进气口5A、5B比进气门7A、7B的中心(进气门杆7SA、7SB的中心)朝向内侧(中点C侧)，喷雾燃料FA、FB偏向进气门7A、7B的内侧分布。在此，与暖机模式时一样，粒径比较小的喷雾燃料未附着在进气门7A、7B的表面上而是在进气门7A、7B的表面附近漂浮。在暖机模式结束时，由于燃料喷射的结束时间被设定在比暖机模式时靠提前一侧(参照图8的(b))，因此从喷射结束到进气上止点的时间与暖机模式相比相对延长。因而，如图13的(b)所示，在进气上止点，偏向进气门7A、7B的内侧漂浮的燃料液滴分散在进气门7A、7B的整个表面上。即，如图14所示，当从内燃机1的排气侧观察图13的(a)中的喷雾状态时，由喷雾产生的气流FL1A、FL1B撞击进气门7A、7B的表面，从而撞击部分的气体压力上升。图15是表示图13的(b)所示的进气上止点附近的进气门7A、7B表面的气流的图，如上所述，进气门7A、7B的内侧的气体压力上升，从而生成了从进气门7A、7B的内侧朝向外侧的气流FL2A、FL2B，借助于该气流FL2A、FL2B，在进气门7A、7B的内侧漂浮的燃料液滴FA、FB沿着进气门7A、7B的表面被分别向进气门7A、7B的外侧运送，燃料液滴在进气上止点分散在进气门7A、7B的整个表面上。
接着，如图13的(c)所示，在进气冲程的初期，在进气门7A、7B的表面附近漂浮的液滴FA、FB从进气门7A、7B打开的进气开口部12A、12B大致均匀地流入燃烧室4内。这样，喷雾燃料FA、FB大致均匀地流入燃烧室4内，从而在进行点火的压缩冲程的后期，在燃烧室4内形成了燃料浓度偏差较小的非分层混合气体。该非分层混合气体与分层混合气体相比，燃料与空气(氧气)更好地混合在一起，因此燃料的燃烧残留较少，能够进行效率较高的燃烧。另外，由于未产生局部的燃料变浓，因此抑制了烟或未燃HC的排出、爆燃的产生。
这样，在本实施例1中，在暖机模式下通过在进气门7A、7B的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散之前进行进气，能够在火花塞10周围形成分层混合气体，并且在暖机模式结束时，进行进气直等到在进气门7A、7B的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7A、7B上，从而能够容易地在燃烧室4内形成非分层混合气体。
但是，当喷射到进气口5内的燃料液滴很多附着在进气门7、进气口5的壁面上时，难以如上述那样改变喷射时间并容易地切换分层混合气体的形成与非分层混合气体的形成。这是以下情况引起的，即，由于附着在壁面上的燃料的移动速度极其慢，因此即使将燃料喷射时间设定得较早也不能够使附着的燃料分散在整个进气门7上，而且，当燃料的壁面附着量较多时，在进气门7表面附着漂浮的液滴减少，因此即使将燃料喷射时间设定得较早，分散在整个进气门7上的燃烧量也减少。即，在这种情况下，在进气门7打开时，与燃料的喷射时间无关地在进气门7的内侧附近存在有许多燃料，从而难以在燃烧室4内形成非分层混合气体。
因而，为了有效地获得通过在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散之前进行进气而在火花塞10周围形成分层混合气体、并且通过进行进气直等到在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上而在燃烧室4内形成非分层混合气体这样的作用，优选使更多量的液滴在进气门7表面附近漂浮。
在此，所喷射的喷雾燃料向壁面的易附着性利用式(1)所定义的斯托克斯数St表示。
数学式1
St = ρ P d P 2 V P 18 μ g L . . . ( 1 )
在此，ρP是液滴密度，dP是喷雾燃料的索特平均粒径，VP是液滴的喷射轴线方向的平均喷射速度(＝每单位时间的喷射流量/喷口面积)，μg是大气压下的常温下的空气的粘性系数，L是从燃料喷射阀20的喷嘴前端到进气门7表面的距离。另外，索特平均粒径dP是在燃料喷射阀20的喷口(参照图18)形成的液膜的***完成了的时刻的粒径，是燃料喷射阀20的喷嘴下方20mm～30mm处的索特平均粒径。即，上述式(1)所定义的斯托克斯数St是表示液滴惯性力的大小的纲量为1的数。
图16是表示斯托克斯数St与喷雾燃料的壁面附着率(＝燃料的壁面附着量/燃料喷射量)的关系的图。另外，本结果是使用计算流体模拟计算在常温下喷射到大气压的静止空间内的燃料液滴的动作、计算该液滴向配置在喷射口下方的平板壁面附着的量而得到的，通过将喷雾燃料的索特平均粒径dP、喷射速度VP、从喷射点到壁面的距离L改变为各种数值来改变斯托克斯数St。如图所示，根据上述计算可知，随着斯托克斯数St减小(液滴的惯性力减小)，燃料的壁面附着率减小，当斯托克斯数St成为1以下时，其壁面附着大致为零。因而，为了有效地获得本实施例1的作用，优选以式(1)所表示的斯托克斯数St成为1以下的方式设定从燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料的速度、粒径、燃料喷射阀20与进气门7的距离。
另外，为了将斯托克斯数St设为1以下，根据式(1)明确可知，需要形成粒径及燃料喷射速度较小的喷雾燃料。例如，当将液滴密度ρP设为750kg/m3(汽油)、将从燃料喷射阀20的喷嘴前端到进气门7表面的距离L设50mm、将空气粘性系数μg设为19μPas(1个大气压，300K)时，斯托克斯数St＝1的燃料喷射速度VP与索特平均粒径dP的关系成为图17所示的关系。向火花点火式气口喷射式内燃机所使用的燃料喷射阀供给的燃料的压力通常为3个大气压左右，喷雾燃料的喷射速度通常为20m/s～30m/s左右，因此，在该燃料喷射速度时为了将斯托克斯数St设为1以下，如图17所示，需要将索特平均粒径dP设为大致30μm以下。但是，作为火花点火式气口喷射式内燃机的燃料喷射阀而一般使用的单孔涡流阀或多孔阀(多口喷射器)的索特平均粒径dP在燃料压力3个大气压下为50μm～100μm左右。因而，例如为了将斯托克斯数St设为1以下，优选在本实施例1中使用微粒化更好的燃料喷射阀。一般地，只要提高向燃料喷射阀供给的燃料压力就能够缩小粒径，但是根据图17明确可知，通过提高燃料喷射速度，为了将斯托克斯数St设为1以下，要求燃料具有进一步小的粒径。另外，也存在有当提高燃料压力时成本增大这样的问题。
因此，参照图18及图19，说明能够以比较低的燃料压力形成粒径较细的喷雾状燃料的、适用于本实施例1的燃料喷射阀的实施例。
图18是表示燃料喷射阀20的喷嘴前端部的形态的纵剖视图。在该图中，112表示喷嘴管，114表示密封构件，111表示阀芯，113表示引导构件，116表示节流板。在此，阀芯111借助于未图示的弹簧机构而总是被按压在密封构件114上。在燃料喷射时，阀芯111被未图示的燃料驱动机构上拉，如箭头110A所示，被施压的燃料通过阀芯111与密封构件114之间的间隙，流入设置在节流板116上的燃料流入口115内。然后，进入燃料流入口115内的燃料进入回旋室118，之后从喷口119喷射而出。
图19是图18中的B-B向视图，参照该图说明流入设置在节流板116上的燃料流入口115内的燃料的流动。进入截面大致圆形的燃料流入口115内的燃料通过设置在燃料流入口115的法线方向上的三个燃料通路117，进入与各个燃料通路117相连通的回旋室118。由于燃料通路117朝向回旋室118的外壁的切线方向，因此进入各个回旋室118的燃料一边回旋一边从喷口119喷射而出。另外，在节流板116上，如上所述设有多个喷口119，优选从各个喷口119喷射回旋的燃料。另外，燃料通路117、回旋室118、喷口119的基数、燃料流入口115等的形状并不限定于上述方式。
接着，图20是表示从图19所示的喷口119喷射的液膜的形态的纵剖视图。如上所述，燃料F一边沿着喷口119的内壁回旋一边流出，从而在喷口119的出口部在其离心力的作用下形成了中空锥形状的液膜120。液膜120随着进入前端(即，随着远离喷口119)而厚度变薄，最终***而形成了微小的液滴121。通过使如此从喷口喷出的燃料回旋，能够在喷口119附近形成液膜并使燃料微粒化，能够以比较低的燃料压力生成粒径较细的喷雾状燃料。另外，通过设置多个喷口，能够减少每一个喷口的燃料流量，与设置单个喷口的情况相比，能够在喷口部形成更薄的液膜，因此能够促进燃料的微粒化。而且，燃料因回旋而沿喷口的半径方向扩展喷射，因此喷雾燃料的喷射方向(喷口轴向)的速度降低，形成了在轴向的贯穿力较弱的喷雾。这样，通过使用适合于本实施例1的燃料喷射阀20，能够获得粒径细、轴向速度慢的喷雾，因此能够容易地将斯托克斯数St设为1以下，能够有效地避免燃料附着在壁面上。
实施例2
接着，参照图21及图22，详细说明本发明的内燃机的控制装置的实施例2。另外，在该图中，对与实施例1相同的结构标注相同的附图标记来示出。
上述实施例1是对设置在内燃机1上的一个或多个气缸11中的一个气缸11使用了两个燃料喷射阀20的实施例。与此相对，如图21所示，实施例2是对设置在内燃机1上的一个或多个气缸11中的一个气缸11使用了一个燃料喷射阀20的实施例。如图所示，在实施例2中，在分支进气口(进气通路)5A、5B在其上游侧成为一体的进气口5的大致中央部设有一个燃料喷射阀20，从燃料喷射阀20喷射两个方向的喷雾燃料FA、FB。即，从燃料喷射阀20朝向进气门7A喷射喷雾燃料FA，朝向进气门7B喷射喷雾燃料FB。在此，喷雾燃料FA的中心轴线(喷射方向)L20A比进气门7A的中心(进气门杆7SA的中心)靠两个进气门7A、7B的中点C侧，而且，喷雾燃料FB的中心轴线(喷射方向)L20B比进气门7B的中心(进气门杆7SB的中心)靠两个进气门7A、7B的中点C侧。另外，利用ECU21控制燃料喷射阀20的喷射时间、燃料喷射量、由火花塞10进行的燃烧室4内的燃料的点火时间。
图22是说明图21所示的喷雾燃料的形态的图，图22的(a)是说明喷雾燃料FA、FB的中心轴线L20A、L20B的定义的图，图22的(b)是特别说明距燃料喷射阀20的喷嘴前端距离H(例如50mm)的截面上的喷雾燃料的流量通量分布的等高线图，图22的(c)是说明图22(b)所示的流量通量的累积的图。另外，图22的(b)所示的流量通量分布例如利用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)或片捕获法(日文：シ一ト受止め法)等进行测量。
如图22的(a)所示，首先，将距燃料喷射阀20的喷嘴前端距离H(例如50mm)的截面上的喷雾燃料FA、FB的喷雾中心分别设为(XA、YA)、(XB、YB)。而且，将从燃料喷射阀20的前端中心连结喷雾中心坐标(XA、YA)的轴线定义为喷雾燃料FA的中心轴线L20A。另外，将从燃料喷射阀20的前端中心连结喷雾中心坐标(XB、YB)的轴线定义为喷雾燃料FB的中心轴线L20B。
接着，如图的22(b)所示，当将流量通量分布的测量截面设为X-Y平面时，例如在各个喷雾燃料FA、FB的中心获取流量的极大值，能够获得流量从中心朝向半径方向外侧降低的流量通量分布。
然后，图22的(b)所示的在X轴方向上累积了流量通量后的结果是图22的(c)。另外，由于在本实施例2中使用的燃料喷射阀20朝向两个方向喷射喷雾燃料FA、FB，因此在图22的(c)中，关于各个喷雾燃料FA、FB计算各个流量累积。在本实施例2中，该累积流量分别达到总累积流量的50％的X坐标XA、XB是各个喷雾燃料FA、FB的X方向的中心。同样地，关于Y方向也能够求出各个喷雾燃料FA、FB的中心坐标YA、YB。即，上述求出的坐标(XA、XB)是喷雾燃料FA的测量截面内的重心坐标，坐标(YA、YB)表示喷雾燃料FB的测量截面内的重心坐标。
这样，从一个燃料喷射阀20朝向进气门7A、7B的内侧喷射两个方向的喷雾燃料FA、FB，并且改变燃料喷射阀20的燃料喷射结束时间，从而与实施例1一样能够与运转条件对应地容易地切换分层混合气体与非分层混合气体的形成。
实施例3
接着，参照图23及图24，详细说明本发明的内燃机的控制装置的实施例3。另外，在该图中，对与实施例1、2相同的结构标注相同的附图标记来表示。
图23是表示对设置在内燃机1上的单个或多个气缸11中的一个气缸11使用了一个燃料喷射阀20的另一实施例3的图。在本实施例3中，以从燃料喷射阀20向两个进气门7A、7B喷射燃料的方式喷射一个方向的喷雾燃料F。在此，喷雾燃料F的中心轴线(喷射方向)L20指向连接进气门7A的中心(进气门杆7SA的中心)与进气门7B的中心(进气门杆7SB的中心)的线段的中点C侧。另外，喷雾燃料F在进气门7A、7B的位置以喷雾燃料的宽度W(参照图24)与大致两个进气门7A、7B的间隔相等的方式确定其位置与喷雾锥形角。从配置在进气口5上的燃料喷射阀20喷射的喷雾燃料F被分支部51分支向两个分支进气口(进气通路)5A、5B，向进气门7A、7B的内侧供给，在进气门7A、7B打开时，经由进气开口部12A、12B流入燃烧室4内。另外，利用ECU21控制燃料喷射阀20的喷射时间、燃料喷射量、由火花塞10进行的燃烧室4内的燃料的点火时间。
如图24所示，当将从燃料喷射阀20的喷嘴前端到进气门7A、7B的距离设为L、将两个进气门7A、7B的中心之间的间隔设为W时，喷雾锥形角θc被确定为大概用式(2)表示的角度。
[数学式2]
θ C = 2 tan - 1 ( W 2 L ) . . . ( 2 )
这样，从一个燃料喷射阀20朝向进气门7A、7B的内侧喷射一个方向的喷雾燃料F，并且改变燃料喷射阀20的燃料喷射结束时间，从而与实施例1、2一样能够与运转条件对应地容易地切换分层混合气体与非分层混合气体的形成。
在实施例2、3中，由于每一个气缸11的燃料喷射阀20为一个，因此价格低廉，而且能够抑制用于安装燃料喷射阀20的空间。其另一方面，由于从一个燃料喷射阀20朝向两个进气门7A、7B的内侧喷射燃料F，因此，喷雾燃料F有可能撞击进气口5的分支部51而形成壁流。与此相对，在实施例1中，通过在每一个气缸11中使用两个燃料喷射阀20，与实施例2、3相比，能够从远离进气口5的分支部51的位置朝向进气门7A、7B的内侧喷射燃料F，难以产生与分支部51的喷雾撞击，能够抑制壁流的形成，能够使许多燃料液滴在进气口5内漂浮。
在上述实施例1中，特别说明了暖机模式时与暖机模式结束时的分层运转与非分层运转的切换的实施例。但是，分层运转与非分层运转的切换并不仅仅限定于这种暖机模式与暖机模式结束时，例如在进行排气再循环(EGR)的情况下也是要求的。在火花点火式内燃机中，为了减少泵气损失，而且为了减少氮氧化物(NOx)的排出，有时进行使排气的一部分返回燃烧室内的EGR运转。在泵气损失的减少或NOx排出的减少中，优选使更多的排气返回燃烧室内，以较高的EGR率(燃烧室内的排气质量/燃烧室内的气体总质量)使内燃机运转。但是，当EGR率增高时，由于初期火焰的传播速度因稀释效果而降低，因此具有燃料的燃烧不稳定的倾向。因此，当EGR率较高时，可以认为形成分层混合气体并提高火花塞周围的燃料浓度，提高初期的火焰传播速度，使燃料的燃烧稳定。其另一方面，当EGR率较低且燃料的燃烧稳定时，可以认为形成非分层混合气体并较好地混合空气与燃料、提高燃烧效率。
实施例4
因此，参照图25～图31，详细说明将本发明的内燃机的控制装置应用于EGR运转时的情况的实施例4。另外，在实施例4中，使用具有与图1～图3所示的实施例1相同的结构的内燃机1来进行说明，但是也可以取代该实施例1而应用实施例2、3。另外，在实施例4中，对与实施例1相同的结构也标注相同的附图标记来进行说明。
如图1所示，在内燃机1中，排气的一部分借助于EGR管28而返回进气口5，与新空气一起被吸入到气缸11的燃烧室4内。在此，EGR的量根据EGR阀29的开度及节流阀26的开度来确定。例如，通过增大EGR阀29的开度、缩小节流阀26的开度，能够向燃烧室4内吸入更多的排气，并且能够提高EGR率(燃烧室内的排气质量/燃烧室内的气体总质量)。另外，该节流阀26的开度及EGR阀29的开度根据来自ECU21的指示来确定。
图25是表示本实施例4中的内燃机1的EGR率相对于转速与扭矩的设定映射。这些EGR率是考虑到内燃机1的燃料费、排气、输出、运转性(周期变动)等而预先设定的，当根据内燃机的负载、转速利用ECU21确定节流阀26的开度、EGR阀29的开度时，设定为按照图25所示的映射预先设定的EGR率。在此，如图所示，在非EGR区域或中、低EGR区域，使内燃机1在非分层混合气体内运转，在高EGR区域，为了改善燃烧的不稳定性而使内燃机1在分层混合气体内运转。即，在本实施例4中，如图26所示，当利用ECU21判断为按照当前的转速、扭矩设定的EGR率大于预先设定的EGR率(EGRc)(S2601)时，使内燃机1以分层运转模式运转(S2602)，当判断为小于EGRc(S2601)时，使内燃机1以非分层运转模式运转(S2603)。
图27是表示本实施例4中的EGR率相对于EGR阀29的开度与节流阀26的开度的变化的图。如上所述，EGR阀29的开度越大、节流阀26的开度越小，则EGR率越高，因此，在图27中随着从左上方朝向右下方，EGR率增高。在图示的区域E1中，由于EGR率大于EGRc，因此内燃机1以分层运转模式运转，在除区域E1以外的区域中，由于EGR率小于EGRc，因此内燃机1以非分层运转模式运转。另外，当节流阀26的开度小于EGRc时，与EGR阀29的开度无关地总是作为非EGR区域以非分层运转模式运转。
在此，参照图28，说明图27所示的A点与B点处的燃料喷射控制。在A点与B点处，虽然节流阀26的开度是恒定的，但是由于EGR阀29的开度在B点较大，在A点为中EGR率(EGR率＜EGRc)，在B点为高EGR率(EGR率＞EGRc)，因此内燃机1在A点以非分层运转模式运转，在B点以分层运转模式运转。
如图28(a)所示，在内燃机1以非分层模式运转的A点，燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITA被设定为比进气上止点充分靠前(例如进气上止点前90°CA)。另外，点火时间θ-IGA被设定在压缩上止点的后期(例如压缩上止点前20°CA)。这样，在A点，通过将燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITA设定为比进气上止点充分靠前，在使在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上之后进行进气，能够在燃烧室4内形成非分层混合气体。
其另一方面，如图28(b)所示，在内燃机1以分层模式运转的B点，喷射结束时间θ-ITB晚于A点的喷射结束时间θ-ITA，被设定在排气冲程后期(例如进气上止点前10°CA)。另外，B点的点火时间θ-IGB被设定为与A点相同或者稍微早的时间(例如压缩上止点前25°CA)。在此，通过使B点的点火时间θ-IGB稍微早于A点的点火时间θ-IGA，能够校正在B点燃烧速度因EGR率的增加而降低而热量产生时间推迟的情况。这样，在B点，通过将燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITB设定在排气冲程的后期，在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上之前进行进气，能够在燃烧室4内形成分层混合气体。
另外，在上述A点与B点，节流阀26的开度是恒定的，因此吸入燃烧室4内的新空气的量大致相等。因而，A点与B点的燃料喷射量大致相等，在A点的燃料喷射期间TiA与B点的燃料喷射期间TiB中，TiA≈TiB的关系成立。
这样，当EGR率高于规定值时，通过使内燃机1以分层运转模式运转，能够减少EGR率较高时的燃烧不稳定。另外，当EGR率低于规定值时，通过使内燃机1以非分层运转模式运转，能够较好地混合空气与燃料，提高燃烧效率。
接着，说明图29所示的节流阀26的开度与EGR阀29的开度在映射上的C点、D点、E点处的燃烧喷射控制。另外，图示的对应图与图27所示的对应图相同。在此，在C点、D点、E点，EGR阀29的开度是恒定的，但节流阀26的开度具有C点＞D点＞E点的关系，在C点为中EGR率(EGR率＜EGRc)，在D点为高EGR率(EGR率＞EGRc)，因此，内燃机1在C点以非分层运转模式运转，在D点以分层运转模式运转。另外，在E点，如图27所述，由于节流阀26的开度低于规定值，因此，在非EGR区域，内燃机1以非分层运转模式运转。
图30是表示C点、D点、E点处的燃料喷射时间与点火时间的图。
如图30(a)、图30(c)所示，在内燃机1以非分层运转模式运转的C点及E点，燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITC、θ-ITE被设定为比进气上止点成分靠前(例如进气上止点前90°CA)。另外，点火时间θ-IGC、θ-IGE被设定在压缩上止点的后期(例如压缩上止点前20°CA)。这样，在C点及E点，通过将燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITC、θ-ITE设定为比进气上止点充分靠前，在使在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上之后进行进气，能够在燃烧室4内形成非分层混合气体。
其另一方面，如图30(b)所示，在内燃机1以分层模式运转的D点，燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITD晚于以非分层运转模式运转的C点及E点的喷射结束时间θ-ITC、θ-ITE，被设定在排气冲程后期(例如进气上止点前10°CA)。另外，点火时间θ-IGD被设定为与C点的点火时间θ-IGC相同或者早一些的时间(例如压缩上止点前25°CA)。在此，通过使D点的点火时间θ-IGD比C点的点火时间θ-IGC早一些，能够校正在D点燃烧速度因EGR率的增加而降低而热量产生时间推迟的情况。这样，在D点，通过将燃料喷射阀20的喷射结束时间θ-ITD设定在排气冲程后期，在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上之前进行进气，能够在燃烧室4内形成分层混合气体。
另外，由于节流阀26的开度具有C点＞D点＞E点的关系，因此在C点的燃料喷射时间TiC、D点的燃料喷射时间TiD、E的燃料喷射时间TiE之间，TiC＞TiD＞TiE的关系成立。
这样，当EGR率高于规定值时，通过使内燃机1以分层运转模式运转，能够减少EGR率较高时的燃烧不稳定。另外，当EGR率低于规定值时，通过使内燃机1以非分层运转模式运转，能够较好地混合空气与燃料，提高燃烧效率。
如上所述，在本实施例1～4中，在暖机模式下通过在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散之前进行进气，能够在燃烧室4的火花塞10周围形成分层混合气体。其另一方面，在暖机模式结束时，进行进气直等到在进气门7的内侧表面附近漂浮的燃料液滴分散在整个进气门7上，从而能够在燃烧室4内形成非分层混合气体。即，在本实施例1～4中，进气上止点前的进气口5内的喷雾燃料的分布对之后的混合气体的形成带来了影响。
但是，进气口5内的燃料液滴的动作随着进气门7及排气门8的打开及关闭时机而改变。因此，参照图31说明本实施例1～4中的最佳的进气门7及排气门8的打开及关闭时机。
图31(a)是表示适合于分层运转模式的进气门7与排气门8的开闭时机的图。在分层运转模式下，优选将进气门7的打开时间设在排气门8的关闭时间以后。即，优选进气门7的打开时间与排气门8的打开时间不重叠。只要进气门7的打开时间在排气门8的关闭时间以后，燃烧室4内的燃烧气体就不会吹回到包括分支进气口5A、5B的进气口5内，能够防止朝向两个进气门7A、7B的内侧喷射的喷雾燃料F因吹回气体而向包括分支进气口5A、5B的进气口5内分散的情况。
图31(b)是表示适合于非分层运转模式的进气门7与排气门8的开闭时机的图。在非分层运转模式下，优选使进气门7的打开时间早于排气门8的关闭时间。即，优选进气门7的打开时间与排气门8的打开时间重叠。只要进气门7的打开时间早于排气门8的关闭时间，燃烧室4内的燃烧气体就会吹回到包括分支进气口5A、5B的进气口5内，因此，借助于该吹回气体能够促进包括分支进气口5A、5B的进气口5内的燃料分散与气化。
以上，说明了本发明的4个实施方式，但是本发明并不限定于上述实施方式，不脱离权利要求书所述的发明思想而能够在设计时实施各种变更。
根据以上说明可知，根据实施例1～4，通过将燃料喷射时间设在排气冲程的后期，能够在火花塞周围形成燃料较浓的分层混合气体，能够抑制在以刚冷起动后的暖机模式或较高的EGR率运转时产生的燃烧的周期变动。由此，能够在暖机运转时增大点火滞后量，能够缩短催化剂活化时间并减少未燃HC的排出。而且，能够提高EGR率，因此能够减少泵气损失并提高燃料费效率。另外，通过使燃料喷射结束时间比分层运转模式提前，能够使燃料在燃烧室内分散，因此能够较好地混合空气与燃料并提高燃烧效率。这样，仅靠使燃料的喷射方向朝向进气门的内侧并改变燃料的喷射时间，就能够容易地切换分层运转模式与非分层运转模式，因此装置的结构、控制方法变简单。
另外，本发明并不限定于上述实施例1～4，含有各种变形例。例如，为了易于理解地说明本发明而详细地说明了上述实施例1～4，但未必限定于具有所述的所有结构的情况。另外，能够将某一实施例的结构的一部分替换为其他实施例的结构，而且，也能够在某一实施例的结构中追加其他实施例的结构。另外，关于各个实施例1～4的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、替换。
另外，控制线、信息线示出了认为说明时所必需的情况，并不限于在产品上所必须示出所有的控制线、信息线的情况。实际上也可以认为几乎所有的结构彼此相连接。
附图标记说明
1、内燃机；2、气缸体；3、活塞；4、燃烧室；5、进气口；5A、5B、分支进气口(进气通路)；6、排气口；7、7A、7B、进气门；7SA、7SB、进气门杆；8、8A、8B、排气门；9、气缸盖；10、火花塞；11、气缸；12、12A、12B、进气开口部；13、13A、13B、排气开口部；20、20A、20B、燃料喷射阀；21、ECU(内燃机控制单元)；23、催化剂转换器；24、催化剂温度传感器；25、冷却水温度传感器；26、节流阀；27、空气流量计；28、EGR管；29、EGR阀；111、阀芯；112、喷嘴管；113、引导构件；114、密封构件；115、燃料流入口；116、节流板；117、燃料通路；118、回旋室；119、喷口；120、液膜；121、液滴；C、连结两个进气门的中心的线段的中点；dP、喷雾燃料的索特平均粒径；F、FA、FB、喷雾燃料；L、燃料喷射阀的喷嘴前端与进气门表面之间的距离；L20、L20A、L20B、喷雾燃料的中心轴线；St、斯托克斯数；Ti、燃料喷射时间；VP、喷射方向的平均喷射速度；W、两个进气门的中心之间的距离；θc、喷雾燃料的锥形角度；μg、空气的粘性系数；ρP、液滴密度。

Claims (19)

1.一种内燃机的控制装置，该内燃机具有：气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，它们分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其特征在于，
上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点，
上述控制装置以至少在排气冲程内使燃料喷射结束的分层运转模式和在从压缩冲程到排气冲程之间使燃料喷射结束的非分层运转模式来控制上述燃料喷射阀的喷射时间，
上述分层运转模式中的上述燃料喷射阀的喷射结束时间相对晚于上述非分层运转模式中的上述燃料喷射阀的喷射结束时间，该非分层运转模式中的该燃料喷射阀的燃料喷射时间与该分层运转模式中的该燃料喷射阀的燃料喷射时间相同或短于该分层运转模式中的该燃料喷射阀的燃料喷射时间。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述燃料喷射阀有两个，从两个该燃料喷射阀分别向不同的进气通路内喷射上述燃料。
3.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述燃料喷射阀从该燃料喷射阀向两个喷射方向喷射喷雾燃料，向上述两个喷射方向喷射的喷雾燃料分别供给到不同的进气通路内。
4.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述燃料喷射阀具有从该燃料喷射阀所具有的多个喷口喷射回旋的燃料的喷射喷嘴。
5.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，当将从燃料喷射阀喷射的喷雾燃料在喷口处的轴向平均速度设为V、将索特平均粒径设为d、将从喷口到进气门的距离设为L、将液相燃料密度设为ρ、将空气粘性系数设为μ时，由它们定义的斯托克斯数St＝ρd2V/(18μL)为1以下。
6.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，当点火时间在压缩冲程上止点以后时，以分层运转模式控制上述燃料喷射阀。
7.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在内燃机暖机时成为分层运转模式，并且使点火时间在压缩冲程上止点以后，在内燃机暖机结束时成为非分层运转模式，并且使上述点火时间早于压缩冲程上止点。
8.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，当上述内燃机的冷却水温度、排气温度、催化剂温度中的至少任意一个温度低于规定的温度时成为分层运转模式，并且使点火时间在压缩冲程上止点以后，当上述内燃机的冷却水温度、排气温度、催化剂温度中的至少任意一个温度超过规定的温度时向非分层运转模式转移，并且使上述点火时间早于压缩冲程上止点。
9.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在上述气缸的燃烧室内的EGR率高于规定的EGR率的一侧至少设置分层运转模式，在上述气缸的燃烧室内的EGR率低于规定的EGR率的一侧至少设置非分层运转模式。
10.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述内燃机的控制装置还具有设置在上述两个进气通路的上游部的节流阀和用于调整在连接上述两个进气通路与排气通路的EGR管内流动的排气流量的EGR阀，
当上述节流阀的开度恒定时，在上述EGR阀的开度大于规定的开度的一侧至少设置分层运转模式，在上述EGR阀的开度小于规定的开度的一侧至少设置非分层运转模式。
11.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述内燃机的控制装置还具有设置在上述两个进气通路的上游部的节流阀和用于调整在连接上述两个进气通路与排气通路的EGR管内流动的排气流量的EGR阀，
当上述EGR阀的开度恒定时，在上述节流阀的开度小于规定的开度的一侧至少设置分层运转模式，在上述节流阀的开度大于规定的开度的一侧至少设置非分层运转模式。
12.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在上述分层运转模式下，使上述进气门的打开开始时间在进气上止点以后。
13.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，在上述分层运转模式下，使上述进气门的打开开始时间在进气上止点以后，在上述非分层运转模式下，使上述进气门的打开开始时间在进气上止点以前。
14.一种内燃机的控制装置，该内燃机具有：气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，它们分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其特征在于，
上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点，
上述控制装置通过将在进气上止点前燃料喷射结束的同一喷射持续时间或同一喷射量的燃料喷射阀的喷射结束时间切换为排气冲程的后期和比该排气冲程的后期提前了的时间，从而控制上述燃料喷射阀的喷射时间。
15.根据权利要求14所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
在使上述燃料喷射阀的喷射结束时间在排气冲程的后期时，使上述进气门的打开开始时间在排气门的关闭时间以后。
16.根据权利要求15所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
在使上述燃料喷射阀的喷射结束时间在比该排气冲程的后期提前了的时间时，使上述进气门的打开开始时间早于上述排气门的关闭时间。
17.一种内燃机，其具有：气缸，其具有两个进气开口部；两个进气通路，它们与该气缸相连接，经由上述两个进气开口部分别与上述气缸的燃烧室相连通；两个进气门，其分别配置在该两个进气通路内并使上述进气开口部开闭；一个以上的燃料喷射阀，其向上述两个进气通路内喷射燃料；其特征在于，
上述燃料喷射阀设定为所喷射的喷雾燃料的喷射方向比上述两个进气门的中心靠连接该两个进气门的中心的线段的中点。
18.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，上述燃料喷射阀有两个，从两个该燃料喷射阀分别向不同的进气通路内喷射上述燃料。
19.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，上述燃料喷射阀从该燃料喷射阀向两个喷射方向喷射喷雾燃料，向上述两个喷射方向喷射的喷雾燃料分别供给到不同的进气通路内。
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