CN103782024B - 直喷式汽油发动机及直喷式汽油发动机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

直喷式发动机包括：在发动机处于自行着火燃烧运转区域时将能量赋予由喷嘴喷到气缸内的燃料来辅助燃料进行自行着火燃烧的着火辅助部件。为了使在电动机带动发动机空转时气缸内的压力变化量与曲轴转角变化量之比即气缸内压力上升率成为最大负值的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比达到10％以上90％以下的主燃烧时间内，在从燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将能量赋予喷射到气缸内的燃料。

Description

直喷式汽油发动机及直喷式汽油发动机的控制方法
技术领域
这里所公开的技术涉及一种直喷式汽油发动机及直喷式汽油发动机的控制方法。
背景技术
例如专利文献1中所记载的有关发动机的发明内容如下：为了提高火花点火式汽油发动机的理论热效率，一边利用汽缸盖下面凹陷而形成的腔室、突出着设置在活塞冠面的突起部将燃烧室内隔成中央燃烧室和主燃烧室，一边作为燃烧室整体将压缩比设定为16左右的高压缩比，并且在中央燃烧室内使混合气为浓混合气，在主燃烧室内使混合气为稀混合气，由此作为燃烧室整体使混合气为稀混合气。
例如专利文献2中公开了以下发明内容：从减少冷却损失提高热效率的观点出发，由含大量气泡的绝热材形成隔离出发动机的燃烧室的面。该专利文献2中所公开的发动机的压缩比为16。
专利文献1：日本公开特许公报特开平9-217627号公报
专利文献2：日本公开特许公报特开2009-243355号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
专利文献1中也这样记载，如果将发动机高压缩比化，那么在电动机带动发动机空转(motoring)时,气缸内的最大压力就会上升，同时曲轴转角变化量与气缸内的压力变化量之比即气缸内压力上升率的最大值和最小值(最大负值)也会增大。
这里，如果在让燃料伴随着发动机的高压缩比化而进行自行着火燃烧的情况下，在非常靠近压缩上止点处开始自行着火燃烧，就会在电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率较大的曲轴转角下燃烧，燃烧时气缸内压力上升率的最大值非常大，振动噪音(所谓的NVH)会提高。需要说明的是，气缸内压力上升率的大小对振动噪声(NVH)的影响比气缸内压力对振动噪音(NVH)的影响要大。
这里所公开的技术正是鉴于上述各点而完成的。其目的在于：在让喷射到气缸内的燃料自行着火燃烧的情况下，减小燃烧时气缸内压力上升率，尽量降低振动噪音(NVH)。
－用于解决技术问题的技术方案－
为达成所述目的，这里所公开的技术以直喷式汽油发动机为对象。其构成情况如下：该直喷式汽油发动机具有让从喷嘴喷射到气缸内的、至少含有汽油的燃料进行自行着火燃烧的自行着火燃烧运转区域。所述发动机的几何压缩比在18以上40以下,该直喷式汽油发动机包括:喷射控制部件和着火辅助部件。该喷射控制部件构成为:控制所述喷嘴对燃料的喷射,该着火辅助部件构成为:在所述发动机处于所述自行着火燃烧运转区域时对由所述喷嘴喷射到气缸内的燃料施加能量,辅助燃料进行自行着火燃烧。所述喷射控制部件,在所述发动机处于所述自行着火燃烧运转区域时将燃料喷射开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内,为了使在电动机带动所述发动机空转时气缸内的压力变化量与曲轴转角变化量之比即气缸内压力上升率成为最大负值的、压缩上止点后4°-15°的曲轴转角的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比达到10％以上90％以下的主燃烧时间内,所述着火辅助部件在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
根据上述结构，在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始喷射燃料，在从该燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段(通常是燃料全部喷射完为止的时间段)内，通过着火辅助部件工作将能量赋予在该工作以前已喷射到气缸内的燃料，被赋予了能量的燃料升温着火，后喷射的燃料以该着火燃料为基点连锁性地着火。这样设置着火辅助部件以后，即使在压缩上止点后也很容易使燃料进行自行着火燃烧。而且，因为电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率成为最大负值的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比达到10％以上90％以下的主燃烧时间内，所以能够使燃烧时气缸内压力上升率较小，从而能够降低噪声振动(NVH)。
这里，在所述几何压缩比在18以上40以下的情况下，所述特定曲轴转角成为压缩上止点后4°～15°的曲轴转角。
可以如此，在所述直喷式汽油发动机中，所述着火辅助部件为了使已燃烧燃料的质量百分比达到10％的时刻在压缩上止点后，将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
这样一来，因为主燃烧时间成为压缩上止点后，所以能够借助在膨胀行程的燃烧来降低冷却损失。
可以如此，在所述直喷式汽油发动机中，所述喷射控制部件,在所述发动机处于所述自行着火燃烧运转区域时,使进行喷射规定量燃料的第一喷射，并且在该第一喷射后使进行相对于该第一喷射连续或者非连续地喷射剩余的燃料的第二喷射，所述着火辅助部件在从所述第一喷射末期到所述第二喷射初期为止的时间段内将所述能量赋予由该第一喷射喷射的燃料。
这样一来，通过适当地设定所述规定量(例如设定为相对于总喷射燃料质量百分比在1％以下)，就能够形成微少混合气块，从而能够将能量集中地赋予该微少混合气块(亦即第一喷射所喷射出的燃料)，让第一喷射喷射出的燃料可靠地着火。该第一喷射所喷射出的燃料成为着火的导火线，后续的第二喷射所喷射出的燃料会连锁性地着火。因此，能够提高燃料的着火性。
可以如此，在所述直喷式汽油发动机中，所述着火辅助部件利用等离子点火将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
亦即，因为等离子点火能够将比火花点火更大的能量赋予燃料，所以在提高燃料的着火稳定性方面是有利的。
这里，在火花点火式发动机的理论循环即奥托循环(Ottocycle)下，使发动机的压缩比越高，或者使气体的比热比κ越高，理论热效率就会越高。因此，专利文献1中所记载的高压缩比化和混合气的富氧化的结合对于提高热效率(图示热效率)在某种程度上是有利的。对这其中的混合气的富氧化进行分析的话,在发动机处于低负荷运转区域时,因为燃料喷射量相对较少,所以将空气过剩率λ设定为例如2以上的富氧混合气,既能够提高热效率,又能够抑制未处理NOx的生成。另一方面，在发动机处于高负荷运转区域时,因为燃料喷射量增加,所以是难以将空气过剩率λ维持在2以上的。在将空气过剩率λ设定为比2低的情况下,从使用三效催化剂的关系来看,不得不将空气过剩率λ设定在1以下。因此,可以考虑:在低负荷运转区域设定成空气过剩率λ≥2,在高负荷运转区域设定成空气过剩率λ≤1,这样根据发动机负荷对空气过剩率λ进行切换。
但是,在针对伴随着例如油门操作的加速要求,而从设定成空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域朝着设定成空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域转移时,因为对进气量的减量控制跟不上对空气过剩率λ的切换,所以必须通过对燃料喷射量进行增量控制来让空气过剩率λ快速地减小。这将导致转矩的急剧变化,转矩冲击(torqueshock)的发生以及NVH性能的恶化。特别是对于将发动机的几何压缩比设定得较高的高压缩比发动机来说存在以下可能性，即，在使空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域和使空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域之间的转矩差容易增大,转矩冲击和NVH性能的恶化非常显著。
于是,可以如此，所述喷射控制部件，在所述发动机处于比规定负荷低的低负荷运转区域时使燃烧时的空气过剩率λ达到2以上；所述喷射控制部件，在所述发动机处于所述规定负荷以上的高负荷运转区域时,使燃烧时的空气过剩率λ达到1以下，并且为了所述特定曲轴转角落在所述主燃烧时间内而将所述喷嘴的燃料喷射时刻设定为压缩上止点附近的特定喷射时刻；所述喷射控制部件，在所述发动机在所述低负荷运转区域和所述高负荷运转区域之间转移的过渡期,为了使燃烧时的空气过剩率λ达到1以下并且为了实现所述主燃烧时间在所述特定曲轴转角的迟后角侧而执行使所述燃料喷射时刻比所述特定喷射时刻晚的过渡控制。
根据该结构，当在使空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域和使空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域之间转移的转移过渡期，更准确地讲，该转移过渡期是：在从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移的情况下刚刚转移到空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域不久，或者在从高负荷运转区域朝着低负荷运转区域转移的情况下即将转移到空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域以前。在这些转移过渡期，既能够使燃烧时的空气过剩率λ在1以下来避免排放(emission)性能恶化，又能够通过使燃料喷射时刻比特定喷射时刻晚来进行让主燃烧时间在特定曲轴转角的迟后角一侧的过渡控制。因为燃烧效率由于将主燃烧时间设定在大幅度迟后的迟后角一侧而下降，所以即使让空气过剩率λ≤1，产生的转矩也较小。
因此，像伴随着例如油门操作所提出的加速要求时那样，在从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移时，刚刚进入高负荷运转区域后不久，立刻暂时地将燃料喷射时刻设定在大幅度迟后的迟后角一侧，将主燃烧时间设定在大幅度迟后的迟后角一侧，从而来减小所产生的转矩，减小或者消除与在使空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域的转矩之间的转矩差。之后，只要让大幅度迟后角化的燃料喷射时刻朝着特定喷射时刻逐渐地提前角化，主燃烧时间就会朝着上述特定曲轴转角提前角化，燃烧效率会提高，结果是转矩会逐渐升高。最终特定曲轴转角包含在主燃烧时间内，过渡控制结束。其结果是，一边避免转矩冲击、NVH性能恶化，一边结束从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域的转移。
在从高负荷运转区域朝着低负荷运转区域转移之际所进行的过渡控制中，与此相反，在即将朝着低负荷运转区域转移以前，只要维持着空气过剩率λ≤1不变，以燃料喷射时刻逐渐远离特定喷射时刻的方式将该燃料喷射时刻迟后角化即可。这样一来，转矩就会逐渐降低，能够在与空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域的转矩之间的转矩差已减小或已消除的状态下，切换为空气过剩率λ≥2。
优选，所述喷射控制部件，在所述发动机处于所述高负荷运转区域时，将所述燃料喷射开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内,所述着火辅助部件,在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料,由此让所述燃料进行自行着火燃烧。
可以如此，所述喷射控制部件,在进行所述过渡控制时让所述喷嘴进行在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始的预喷射和在该预喷射后且比所述特定喷射时刻晚的时刻开始的主喷射。
在进行过渡控制的过程中，如上所述，在压缩上止点后的膨胀行程中将主燃烧时间设定在大幅度迟后的迟后角一侧，所以燃烧稳定性下降。而且，压缩自行着火的着火性下降也成为问题。
于是，在进行过渡控制时进行两次燃料喷射，即进行预喷射和在该预喷射后的主喷射，该预喷射在相对较早的时间内，具体而言，在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始喷射燃料。因为预喷射有助于气缸内的温度上升，所以能够改善主喷射所喷射出的燃料的燃烧稳定性并且主喷射所喷射出的燃料压缩着火的着火性提高。
可以如此，所述着火辅助部件,在所述预喷射和所述主喷射之间将将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
亦即，通过利用预喷射将燃料喷到气缸内以后，再利用着火辅助部件将能量赋予燃料，燃料升温而着火，气缸内的温度和压力上升。这样一来，在压缩上止点后也能够维持着气缸内的温度和压力较高的状态，靠在膨胀行程中大幅度地迟后角化的主喷射所喷射出来的燃料会稳定地自行着火。这样一来，在进行让主燃烧时间在膨胀行程中大幅度地迟后角化的过渡控制时，燃料的着火性和燃烧稳定性提高。
可以如此，所述喷射控制部件,在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着所述高负荷运转区域内的满负荷域转移的过渡期间内进行所述过渡控制。相对于此,所述喷射控制部件,在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着负荷比所述满负荷低的所述高负荷运转区域转移的过渡期间内,在所述喷射控制部件进行所述过渡控制的过程中进一步对进气量进行减量控制。
亦即，只要在使空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域将气门阀设定为满负荷即可，不需要将进气量减量。相对于此，在使空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域，除了满负荷域以外，其他都需要根据与负荷相对应的燃料喷射量调整气门阀的开度，并由此来将进气量减量。需要说明的是，在满负荷域气门阀被设定为满负荷。
因此，在发动机从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域内的满负荷域转移时，如上所述，因为在满负荷域将气门阀设定为满负荷，所以在进行过渡控制的过程中也无需将进气量减量，进行至少对燃料喷射时刻进行控制的过渡控制即可。相对于此，在发动机从低负荷运转区域朝着负荷比满负荷还低的高负荷运转区域转移时，如上所述，需要在该转移结束后将进气量减量，所以优选在进行过渡控制的过程中对进气量进行减量控制。这样一来，在使空气过剩率λ≤1的过渡控制中进气量减少多少，就能够使燃料喷射量相应地随着减少多少，对于提高燃料消耗率是有利的。
这里公开的技术涉及一种直喷式汽油发动机的控制方法，该直喷式汽油发动机构成为：具有将几何压缩比设定在18以上40以下的气缸且直接向该气缸内喷射至少含有汽油的燃料。
在该控制方法下，在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始向所述气缸内喷射燃料,为了使在电动机带动所述发动机空转时气缸内的压力变化量与曲轴转角变化量之比即气缸内压力上升率成为最大负值的、压缩上止点后4°-15°的曲轴转角的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比达到10％以上90％以下的主燃烧时间内,在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将能量赋予喷射到所述气缸内的燃料,让喷射到所述气缸内的燃料进行自行着火燃烧。
在上述控制方法下，在所述发动机处于比规定负荷低的低负荷运转区域时，使燃烧时的空气过剩率λ成为2以上，再让所述发动机运转；在所述发动机处于所述规定负荷以上的高负荷运转区域时，通过使燃烧时的空气过剩率λ成为1以下并且将朝着所述气缸内喷射燃料的时刻设定为压缩上止点附近的特定喷射时刻,来让所述特定曲轴转角包含在所述主燃烧时间内,再让所述发动机运转；在所述发动机在所述低负荷运转区域和所述高负荷运转区域之间转移的过渡期,通过使燃烧时的空气过剩率λ在1以下并且进行使所述燃料喷射时刻比所述特定喷射时刻晚的过渡控制,来让所述主燃烧时间在所述特定曲轴转角的迟后角一侧,再让所述发动机运转。
可以如此，在所述发动机处于所述高负荷运转区域时,将所述燃料喷射的开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内；在从所述燃料喷射的开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料,由此让所述燃料进行自行着火燃烧。
可以如此，在进行所述过渡控制时,作为向所述气缸内的燃料喷射，进行在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始的预喷射、和在该预喷射后且比所述特定喷射时刻晚的时刻开始的主喷射,并且在所述预喷射和主喷射之间将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
可以如此，在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着所述高负荷运转区域内的满负荷域转移的过渡期进行所述过渡控制,在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着负荷比所述满负荷低的所述高负荷运转区域转移的过渡期,在进行所述过渡控制的过程中进一步对进气量进行减量控制。
－发明的效果－
如上所述，根据所述直喷式汽油发动机及直喷式汽油发动机的控制方法，能够减小燃烧时气缸内压力上升率，从而能够降低振动噪音(NVH)。
附图说明
【图1】图1是示出直喷式汽油发动机的略图。
【图2】图2是示出喷嘴的内部构造的剖视图。
【图3】图3是示出发动机的工况之一例的图。
【图4】图4是示出外开阀的行程量相对于曲轴转角的变化情况(下段)以及气缸内压力上升率相对于曲轴转角的变化情况(上段)的曲线图。
【图5】图5是示出在发动机的几何压缩比为20、30及40的情况下，电动机带动发动机空转时气缸内压力的变化情况(上段)和气缸内压力上升率的变化情况(下段)的曲线图。
【图6】图6是一曲线图，示出在发动机的几何压缩比为40的情况下，让燃烧开始时刻不同，燃烧时气缸内压力上升率如何变化的研究分析结果。
【图7】图7是示出在空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域的燃烧所涉及的气缸内压力的变化情况之例的图。
【图8】图8是示出在空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域的燃烧所涉及的气缸内压力的变化情况之例的图。
【图9】图9是示出在低负荷运转区域和高负荷运转区域之间的转移过渡时的燃烧所涉及的气缸内压力的变化情况的图。
【图10】图10是示出从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移时的过渡控制所涉及的流程图。
具体实施方式
以下参照附图对直喷式汽油发动机的实施方式进行详细的说明。图1概略地示出直喷式汽油发动机1(以下简称为发动机1)。发动机1包括发动机本体所附带的各种执行部件、各种传感器以及基于来自该传感器的信号对执行部件进行控制的发动机控制器100。
发动机1安装在汽车等车辆上，虽然未图示出来，其输出轴经变速器与驱动轮相连结。发动机1的输出传递给驱动轮，车辆就会前进。发动机1的发动机本体包括气缸体12、放在该气缸体12上的汽缸盖13。在气缸体12内部形成有多个气缸11(图1中仅示出一个气缸11)。虽然未图示出来，但在气缸体12和汽缸盖13的内部形成有供冷却水流动的水套。
活塞15可滑动地嵌插在各气缸11内。活塞15与气缸11和汽缸盖13一起隔离出燃烧室17。图例中，燃烧室17是所谓的屋脊形燃烧室，其顶面(亦即汽缸盖13的下表面)呈由进气侧和排气侧两个斜面构成的三角屋顶状。活塞15的冠面呈与所述顶点相对应的凸状，在冠面的中心部位形成有凹状的腔15a。需要说明的是，只要有可能成为后述的较高几何压缩比，所述顶面和活塞15的冠面可以采用任意形状，例如，顶面和活塞15的冠面(亦即除去腔15a的部分)双方都由垂直于气缸11中心轴的面构成，或者顶面如上所述呈三角屋顶形状，活塞15的冠面(亦即除去腔15a的部分)由垂直于气缸11中心轴的面构成。
图1中仅示出了一个气缸11，但是每一个气缸11都在气缸盖13上形成有两个进气通道18，各个进气通道分别开在气缸盖13的下表面(燃烧室17顶面的排气侧斜面)上而与燃烧室17连通。同样，每一个气缸11都在气缸盖13上形成有两个排气通道19，每一个排气通道19分别开在气缸盖13的下表面(亦即燃烧室17顶面的排气侧斜面)而与燃烧室17连通。进气通道18与供被引入气缸11内的新气流动的进气通路(省略图示)相连接。调节进气流量的气门阀(throttlevalve)设置在进气通路上，接收来自控制器100的控制信号调节气门阀20的开度。另一方面，排气通道19与供来自各气缸11的已燃气体(排气气体)流动的排气通路(省略图示)相连接。虽然省略图示，但排气通路上设置有具有一个以上的催化转换器的排气净化装置，催化转换器中含三效催化剂。
气缸盖13上，进气阀21和排气阀22分别被设置成能够使进气通道18和排气通道19与燃烧室17切断(闭)。进气阀21由进气阀驱动机构驱动，排气阀22由排气阀驱动机构驱动。进气阀21和排气阀22在规定的时刻做往复运动，打开和关闭进气通道18和排气通道19，进行气缸11内的气体交换。虽然省略图示，但进气阀驱动机构和排气阀驱动机构分别具有与曲轴相连结并被曲轴驱动的进气凸轮轴和排气凸轮轴，这些凸轮轴与曲轴同步旋转。而且，两驱动机构中至少进气阀驱动机构由能够在规定的角度范围内连续地改变进气凸轮轴的相位的液压式或机械式相位可变机构(可变气门正时技术VVT：VariableValveTiming)23构成。还可以使两驱动机构中的至少进气阀驱动机构包括VVT23和能够连续地改变气门行程量的升程可变机构(连续可变气门升程CVVL：ContinuousVariableValveLift)。
气缸盖13上设置有火花塞31。该火花塞31利用例如螺纹等公知构造安装在气缸盖13上。在该实施方式中，火花塞31以相对于气缸11的中心轴朝着排气一侧倾斜的状态安装好，其顶端部对着燃烧室17的顶部。该火花塞31的顶端部位于后述喷嘴33的喷嘴口41附近。需要说明的是，火花塞31的布置情况并不限于此。在本实施方式中，火花塞31是等离子点火式火花塞，点火***32包括等离子体产生电路。火花塞31借助点火***32放电来产生等离子体，该等离子体从火花塞31的顶端朝着气缸内雾状喷射，进行燃料的点火。而且，火花塞31如后所述，再让燃料进行自行着火燃烧的自行着火燃烧运转区域，具有辅助自行着火燃烧的作用。点火***32接收来自控制器100的控制信号对火花塞31通电，以便火花塞31在所期待的点火时刻产生火花。此外，火花塞并不限于等离子体点火式塞，还可以是经常使用的火花点火式塞。
在气缸盖13的气缸11的中心轴上设置有将燃料直接朝着气缸(亦即燃烧室17内)喷射的喷嘴33。该喷嘴33通过例如使用支架(bracket)等的公知构造安装在气缸盖13上。喷嘴33的顶端对着燃烧室17的顶部中心。
如图2所示，喷嘴33是具有打开、关闭朝着气缸内喷射燃料的喷嘴口41的外开阀(出来后即可打开的阀)42的外开阀式喷嘴。喷嘴口41形成为：在沿着气缸11中心轴延伸的燃料管43的顶端部越靠近顶端一侧越大的锥面状。燃料管43基端一侧的端部与内部设置有压电元件44的壳45相连接。外开阀42具有阀本体42a、从阀本体42a通过燃料管43内部与压电元件44连接的连结部42b。阀本体42a的靠近连结部42b一侧的部分大致呈与喷嘴口41一样的形状，当该部分顶在喷嘴口41(亦即坐在)上时，喷嘴口41成为关闭状态。此时，阀本体42a的靠近顶端一侧的部分成为朝着燃料管43外侧突出的状态。
压电元件44由于电压的施加而变形，由此而朝着气缸11的中心轴方向的燃烧室17一侧推压该外开阀42，让该外开阀42从已将喷嘴口41关闭的状态移动(lift)而将喷嘴口41打开。此时，燃料被从喷嘴口41朝着气缸内喷射成以气缸11的中心轴为中心的圆锥状(详细而言，空心圆锥状)。该圆锥体的锥角在本实施方式中为90°～100°(空心锥内侧的空心部锥角为70°左右)。当停止对压电元件44施加电压时，压电元件44就会恢复到原来的状态，外开阀42会再次使喷嘴口41成为关闭状态。此时，设置在壳45内的连结部42b周围的压缩螺旋弹簧46帮助压电元件44复位。
对压电元件44施加的电压越大，外开阀42从将喷嘴口41关闭的状态开始移动的移动量(lift：以下简称为行程量)就越大。该行程量越大，喷嘴口41的开度就越大，从喷嘴口41朝着气缸内雾状喷射出的燃料的穿透力(penetration)就越大(长)，每单位时间内喷射出的燃料量就越多，并且雾状喷出的燃料的粒径就越大。压电元件44响应快，很容易地即能够实现后述的第一喷射和第二喷射。但是，作为驱动外开阀42的部件并不限于压电元件44。
燃料供给***34包括用于驱动外开阀42(压电元件44)的电路、将燃料供向喷嘴33的燃料供给系。发动机控制器100在规定的时刻将具有与行程量相对应的电压的喷射信号输出给所述电路，通过该电路让压电元件44和外开阀42工作，将所希望量的燃料喷射到气缸内。在所述喷射信号的非输出时(亦即喷射信号的电压为0时)，在该外开阀42的作用下喷嘴口41成为关闭状态。压电元件44就这样受来自发动机控制器100的喷射信号的控制而工作。发动机控制器100这样控制压电元件44工作，控制从喷嘴的喷嘴口41喷射燃料的时刻和在该喷射燃料时的行程量。
在所述燃料供给系中设置有省略图示的高压燃料泵、共用导轨，该高压燃料泵将经低压燃料泵从燃料箱供来的燃料压送到共用导轨上，共用导轨以规定的燃料压力将该压送来的燃料储存起来。喷嘴33工作(亦即外开阀42移动)以后，储存在所述共用导轨内的燃料就会被从喷嘴口41喷射出来。
这里，在本实施方式中，发动机1的燃料是汽油，但是还可以是含生物乙醇等的汽油，只要是至少含有汽油的液体燃料，什么燃料都可以。
控制器100是以公知的微型电脑为基础的控制器，包括执行程序的中央计算处理装置(CPU)、由例如RAM、ROM构成且存储程序和数据的存储器、输出入电信号的输出入(I/O)总线。
发动机控制器100至少接收与来自空气流传感器71的进气流量相关的信号、来自曲轴转角传感器72的曲轴转角脉冲信号、来自检测油门、脚踏板的踩下量的油门开度传感器73的油门开度信号、来自车速传感器74的车速信号。发动机控制器100根据这些输入信号计算发动机的所希望的气门阀开度信号、燃料喷射脉冲、点火信号、阀相位角信号等控制参数。发动机控制器100将这些信号输出给气门阀20(正确地讲，让气门阀20移动的移动执行部件)、燃料供给***34(正确地讲，为上述电路)、点火***32以及VVT23等。
该发动机1的几何压缩比ε被设定为18以上40以下。优选该发动机1的几何压缩比ε在25以上35以下。在本实施方式中，因为发动机1具有压缩比＝膨胀比的结构，所以该发动机1不仅具有高压缩比，同时还具有较高的膨胀比。需要说明的是，还可以采用压缩比≤膨胀比的结构(例如爱金逊循环(Atkinsoncycle)、米勒循环(Millercycle))。
如图1所示，燃烧室17由气缸11的壁面、活塞15的冠面、气缸盖13的下表面(亦即顶面)、进气阀21和排气阀22各自的阀盖面隔离而成。为减少冷却损失，燃烧室17通过在上述各个面上设置具有绝热层61、62、63、64、65而被绝热化。需要说明的是,以下在通称这些绝热层61～65的情况下,有时候用符号“6”表示绝热层。绝热层6可以设置在所有这些隔离面上,也可以设置在这些隔离面中的一部分隔离面上。而且,在图例中,气缸壁面上的绝热层61被设置成在活塞15位于上止点的状态下位于比该活塞环14更靠上的上侧的位置,这样就成为一种活塞环14不会在绝热层61上滑动的结构。不过，气缸壁面上的绝热层61并不限于该结构，还可以通过让绝热层61朝着下方延伸，来将绝热层61设置在活塞15的整个行程或者行程的一部分上。可以将绝热层设置在不是直接隔离出燃烧室17的壁面，但是进气通道18、排气通道19的靠燃烧室17顶面一侧附近开口处的通道壁面上。需要说明的是，图1中示出的各绝热层61-65的厚度并不表示实际的厚度，仅为示例而已，也不表示各面上的绝热层的厚度的大小关系。
进一步详细地说明燃烧室17的绝热构造。如上所述，燃烧室17的绝热构造由设置在隔离出燃烧室17的各隔离面上的各绝热层61-65构成。为了抑制燃烧室17内的燃烧气体的热通过隔离面释放出来，这些绝热层61-65被设定为其导热率比构成燃烧室17的金属制母材低。这里，针对设置在气缸11壁面上的绝热层61而言，气缸体12为母材；对于设置在活塞15的冠面上的绝热层62而言，活塞15为母材；对于设置在气缸盖13顶面上的绝热层63而言，气缸盖13为母材；对于设置在进气阀21和排气阀22各自的阀盖面上的绝热层64、65而言，进气阀21和排气阀22分别是母材。因此，对于气缸体12、气缸盖13以及活塞15而言，母材的材质是铝合金或者铸铁，对于进气阀21和排气阀22而言，母材的材质是耐热钢、铸铁等。
优选绝热层6除了减小冷却损失以外，容积比热也比母材小。也就是说，虽然燃烧室17内的气体温度随着燃烧循环的进行而变化，但是现有的燃烧室17没有绝热构造的发动机，通过让冷却水在形成在气缸盖、气缸体内的水套内流动，不管燃烧循环的进行情况如何，隔离出燃烧室17的面的温度会被维持为大致一定。
另一方面，因为冷却损失由冷却损失＝热传递率×传热面积×(气体温度-隔离面的温度)决定，所以气体温度和壁面温度之温度差越大，冷却损失就会越大。为抑制冷却损失，优选使气体温度和隔离面的温度之温度差较小。但是，在利用冷却水将燃烧室17的隔离面的温度维持为大致一定的情况下，温度差伴随着气体温度的变化而增大是不可避免的。于是，优选使上述绝热层6的热容量较小，燃烧室17的隔离面的温度追随着燃烧室17内的气体温度的变化而变化。
例如通过等离子体热喷涂将ZrO2等陶瓷材料电镀在母材上来形成所述绝热层6即可。可以在该陶瓷材料中含有大量的气孔。这样做，能够使绝热层6的导热率和容积比热更低。
在本实施方式中，如图1所示，通过将导热率非常低、绝热性优良且耐热性也优良的钛酸铝制排气通道衬套181与汽缸盖13夹心铸造为一体，来在将绝热层设置在进气通道18上。在该结构下，在新气通过进气通道18时，能够抑制甚至避免从汽缸盖13接收热，温度上升。这样一来因为被引入气缸11内的新气的温度(初期的气体温度)变低，所以燃烧时的气体温度下降，有利于缩小气体温度和燃烧室17的隔开面的差温。因为使燃烧时的气体温度降低就能够使导热率降低，所以这样也会有利于减少冷却损失。需要说明的是，设置在进气通道18处的绝热层的结构并不限于排气通道衬套的夹心铸造。
该发动机1中，除了所述燃烧室17和进气通道18的绝热构造以外，还在气缸内(燃烧室17内)由气体层形成绝热层，因此而能够大幅度地减少冷却损失。
具体而言，为了在发动机1的气缸内(燃烧室17内)的外周部形成含新气的气体层且在中心部形成混合气层，发动机控制器100将喷射信号输出该燃料供给***34的电路，以便在压缩行程从喷嘴11的喷嘴口41朝着气缸内喷射燃料。亦即，在压缩行程由喷嘴33向气缸内喷射燃料且将该雾状喷出的燃料的穿透力抑制成该雾状喷出的燃料不会到达气缸内的外周部那么大(长)，由此而能够实现在气缸内的中心部形成混合气层且在其周围形成含新气的气体层这样的成层化。该气体层可以仅仅是新气，也可以除了新气以外，还含有已燃气体(亦即EGR气体)。需要说明的是，气体层中即使混上了少量的燃料也没有问题，气体层只要能够起到绝热层的作用，该气体层比混合气层更富氧也是可以的。
若在上述已形成了气体层和混合气层的状态下用火花塞31点火(或者对自行着火燃烧进行辅助)，那么由于混合气层和气缸11的壁面之间的气体层之存在，混合气层的火炎就不会与气缸11的壁面接触，该气体层就成为绝热层，而能够抑制热从气缸11的壁面释放出来。其结果是，能够大幅度地减少冷却损失。
该发动机1如上所述将几何压缩比ε设定为18≤ε≤40。理论循环即奥托循环(Ottocycle)的理论热效率ηth为ηth＝1-1/(εκ-1)，使压缩比ε越高，理论热效率ηth就会越高。使气体的比热比κ越高，换句话说，使空气过剩率λ越高，理论热效率ηth就会越高。
然而，发动机(正确而言，在燃烧室没有绝热构造的发动机)的图示热效率在规定的几何压缩比ε(例如15左右)下达到峰值，即使让几何压缩比ε比该峰值高，图示热效率也不再升高。相反，图示热效率会降低。这是由于在维持燃料量与进气量一定而提高了几何压缩比的情况下，压缩比越高，燃烧压力和燃烧温度就越高而引起的。如上所述，燃烧压力和燃烧温度提高就是因为导致冷却损失增大之故。
相对于此，为了使图示热效率在较高的几何压缩比ε下提高，如上所述，该发动机1将燃烧室17的绝热构造结合进来。也就是说，通过燃烧室17的绝热化来减少冷却损失，由此来提高图示热效率。
另一方面，仅通过将燃烧室17绝热化来减少冷却损失的话，该冷却损失的减少量会被转换成排气损失，对图示热效率的提高不会有太大的帮助。在该发动机1中，如上所述，利用伴随着高压缩比化的高膨胀比化，将燃烧气体的相当于冷却损失减少量的能量效率良好地转换成机械功。也就是说，该发动机1通过采用让冷却损失和排气损失共同减少的结构，而能够使图示热效率大幅度地提高。
这里，在发动机负荷在规定值以下的低负荷运转区域，气缸内(燃烧室17内)整体的空气过剩率λ被设定在2以上，或者气缸内的气体相对于燃料的重量比G/F被设定在30以上。因此，在低负荷运转区域，能够一边利用绝热层谋求绝热化，使图示热效率提高，一边减少未处理的NOx。
如果空气过剩率λ低于2，燃烧室17内的最高燃烧温度便会升高，就有可能将未处理的NOx从燃烧室17排出去。如上所述，因该发动机1要谋求冷却损失和排气损失共同减少,故排气温度较低，不利于催化剂的活化。因此,希望避免或抑制从燃烧室17排出未处理的NOx,这样就优选将空气过剩率λ设定在2以上。从减少未处理的NOx的观点出发，更为优选的是设定为所述空气过剩率λ≥2.5。换句话说，优选对空气过剩率λ进行设定，在燃烧室17内的最高燃烧温度达到规定温度(例如能够生成未处理的NOx的温度即1800K(开尔文))以下的范围内。优选发动机控制器100在例如发动机1的部分负荷运转区域内，最高燃烧温度伴随着负荷上升(换句话说,伴随着空气过剩率λ由于燃料喷射量的增加而上升)超过规定温度那样的时候，降低空气过剩率λ后再操纵发动机1。
根据本申请发明人的分析研究，在空气过剩率λ＝8时图示的热效率达到峰值，故优选空气过剩率λ的范围为2≤λ≤8(更优选2.5≤λ≤8)。需要说明的是，因为将气门阀20设定在打开一侧,所以混合气的富氧化对于气体交换损失(泵送损失)减少所带来的图示热效率的提高是有利的。
另一方面，在发动机1的包括满负荷的高负荷运转区域,进一步减小空气过剩率λ,例如使λ＝1或者λ≤1。
这里，图3是该发动机1在热状态时的工况图之一例。如上所述，使负荷比图3中实线所示的规定负荷低的低负荷运转区域成为使空气过剩率λ为2≤λ≤8(或者G/F为30～120)的富氧运转区域，另一方面，使在规定负荷以上的高负荷运转区域(包括满负荷域)成为使空气过剩率λ≤1的λ≤1运转区域。这样一来，在高负荷运转区域就能够使用三效催化剂。需要说明的是，所述规定负荷的值可以随着发动机转速增大而增大，也可以与发动机转速无关为一定值。
发动机1具有让利用喷嘴33喷射到气缸内的燃料进行自行着火燃烧的自行着火燃烧运转区域。在该例中，该自行着火燃烧运转区域是整个所述低负荷运转区域和所述高负荷运转区域中除了满负荷区域及其附近区域以外的区域，但并不限于此。
当发动机1处于所述自行着火燃烧运转区域内的高负荷运转区域时，发动机控制器100便将喷嘴33进行的燃料喷射开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内。在本实施方式中，如图4的下段所示，让喷嘴33在压缩行程末期开始喷射燃料。
当发动机1处于高负荷运转区域时，发动机控制器100由火花塞31进行等离子点火，在该等离子点火时刻以前将能量赋予喷射到气缸内的燃料，辅助燃料进行自行着火燃烧。这样一来，被赋予了该能量的燃料就开始升温而着火，后喷射的燃料会以该着火燃料为基点连锁性地着火。所述能量的赋予在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内(本实施方式中为压缩上止点附近)，为的是在电动机带动发动机空转时气缸内压力变化量(ΔP)与曲轴转角变化量(Δθ)之比即气缸内压力上升率(ΔP/Δθ)成为最大负值的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比成为10％以上90％以下的燃烧曲轴转角范围(被称为主燃烧时间)内。
优选，所述能量的赋予在已燃烧燃料的质量百分比达到10％的时刻在压缩上止点后(亦即，在压缩上止点后，主燃烧时间开始)时进行。
如图5的下段曲线图所示，电动机带动发动机空转时气缸内压力上升率在压缩上止点的跟前成为最大值，在压缩上止点成为0，在压缩上止点后成为负值，不久成为最大负值(最小值)。由图5上段的曲线图可知，电动机带动该发动机空转时气缸内压力上升率成为最大负值的曲轴转角，在同一排气量的发动机中伴随着几何压缩比ε不同而变化。如果几何压缩比ε在18以上40以下，气缸内压力上升率成为最大负值的曲轴转角就是压缩上止点后4°～15°的曲轴转角(图5下图中用斜线示出的范围)
图6示出让燃烧开始时刻不同，燃烧时气缸内压力上升率如何变化的分析结果(几何压缩比ε为40)。燃烧开始时刻为压缩上止点前20°的曲轴转角(CA)(－20°的CA)、压缩上止点前10°的曲轴转角(－10°的CA)、压缩上止点(0°的CA)、压缩上止点后10°的曲轴转角(+10°的CA)以及压缩上止点后20°的曲轴转角(+20°的CA)这五种情况。电动机带动发动机空转时气缸内压力上升率用双点划线示出。如果燃烧开始时刻在压缩上止点前，就会在电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率较大的曲轴转角处燃烧，故燃烧时气缸内压力上升率的最大值变大。相对于此，如果在压缩上止点开始燃烧，就会在电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率较小的曲轴转角下燃烧，故与燃烧开始时刻在压缩上止点前的那种情况相比，燃烧时气缸内压力上升率的最大值会变得相当小。需要说明的是，燃烧开始时刻在从压缩上止点开始相当靠后的情况下，燃烧时气缸内压力上升率的最大值也会变小，但这是因为燃烧效率恶化之故。因此，如上所述，为了使电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率成为最大负值的曲轴转角落在主燃烧时间内，在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将能量赋予喷射到气缸内的燃料。
特别优选，当发动机1处于图3的工况图中的高负荷运转区域时，燃料喷射按照以下所述进行。亦即，如图4中的下图所示，进行在从燃料喷射开始到压缩上止点(TDC)附近为止喷射规定量的燃料的第一喷射。优选将该第一喷射所喷射出的燃料喷射量即所述规定量设定为质量百分比计总喷射燃料的1％以下，较少的量，如后所述。因此，进行第一喷射时的外开阀42的行程量比进行后述的第二喷射时的外开阀42的行程量(第二喷射的初期不包括在内)小很多。因此，该雾状燃料的穿透力小，第一喷射所喷射出的燃料作为微少混合气块位于火花塞31顶端部附近。
接着，在所述第一喷射后，使进行相对于该第一喷射连续地喷射剩余的燃料的第二喷射。该第二喷射的初期为压缩上止点附近，如后所述，是辅助进行自行着火燃烧的时期，此时的外开阀42的行程量比第一喷射时小，但是之后外开阀42的行程量急剧增大，剩下的所有燃料都会被喷射出来。
发动机控制器100,如图4的下段图中箭头所示，在从所述第一喷射末期到所述第二喷射初期为止的时间段内(该例中压缩上止点附近(亦即第二喷射初期))借助用火花塞31进行的等离子点火将能量赋予所述第一喷射所喷射出的燃料(亦即所述微少混合气块)，辅助该第一喷射所喷射出的燃料和第二喷射所喷射出的燃料进行自行着火燃烧。这样一来，通过在第二喷射初期(亦即大量喷射以前)进行等离子点火，就能够将能量集中地赋予给所述微少混合气块。这样一来，所述微少混合气块就会急剧升温而在压缩上止点刚刚之后着火，该微少混合气块成为着火的导火线，后续的第二喷射所喷射出的燃料跟着连锁性地着火。其结果是，燃烧时气缸内压力上升率按照在图4上段的曲线图的实线变化(双点划线表示电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率)。
本实施方式中，在图4上段曲线图中，能够使燃烧时气缸内压力上升率的变化曲线不进入斜线所示的范围内。亦即，如果燃烧时气缸内压力上升率超过了P1，振动噪音(NVH)就会恶化。而且，如果燃烧过迟，燃烧效率会恶化；如果燃烧过早，会由于气缸内压力和温度上升而导致排放恶化，而且燃烧效率也会恶化。但是，在本实施方式中，不会发生这样的问题，能够降低振动噪音(NVH)并且能够抑制排放、燃烧效率恶化。
这里，所述规定曲轴转角越小,让所述第一喷射所喷射出的燃料(亦即所述微少混合气块)在从开始赋予能量时算起推迟规定曲轴转角后再着火所需要的能量越大。而且，如果所述规定曲轴转角一定不变，所述规定量与总喷射燃料的质量百分比与所述所需要的能量之间就会具有正比例关系。亦即，如果增加第一喷射所喷射出的燃料喷射量(亦即所述规定量)，为了让微少混合气块着火，所需要的能量就会随着上述燃料喷射量的增加而增加。另一方面，靠等离子点火能够赋予的能量为100mJ～200mJ。考虑到此，优选使所述规定曲轴转角为例如5°的曲轴转角左右，使所述规定量与总喷射燃料之质量百分比在1％以下。而且，在靠火花点火来赋予能量的情况下，因为可赋予能量为35mJ左右，所以优选所述规定量与总喷射燃料之质量百分比在0.3％以下。
因此，当发动机1处于自行着火燃烧运转区域时，将燃料喷射开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内，为了使电动机带动发动机空转时的气缸内压力上升率成为最大负值的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比在10％以上90％以下的主燃烧时间内，在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将能量赋予喷射到气缸内的燃料，辅助燃料进行自行着火燃烧，由此而能够减小燃烧时气缸内压力上升率，从而能够降低振动噪音(NVH)。
需要说明的是，在上述说明中，使第二喷射为与第一喷射连续着进行的喷射，但是也可以使第二喷射相对于第一喷射而言是非连续的喷射。亦即，第一喷射和第二喷射是分着进行的。在该情况下，在从第一喷射末期到第二喷射初期(其中，需要第二喷射初期是膨胀行程初期)为止的时间段内借助火花塞31进行的等离子点火(或火花点火)将能量赋予所述第一喷射所喷射出的燃料即可，更优选在第一喷射和第二喷射之间赋予能量。
接着，对伴随着发动机1运转区域改变的过渡控制进行说明。如图3所示的工况图那样，如上所述，使空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域为自行着火燃烧区域，让由喷嘴33喷射到气缸11内的燃料压缩着火。图7示出低负荷运转区域的气缸内压力变化情况之一例。发动机控制器100将喷嘴33喷射燃料的燃料喷射时间(主喷射)设定在例如压缩行程的前半部分或者进气行程。需要说明的是，燃料喷射时间可以根据发动机负荷适当地改变。这样便会形成较均质的混合气，让该混合气在压缩上止点附近压缩着火。需要说明的是，图7中点划线表示电动机带动发动机空转时的气缸内压力的变化情况。
相对于此，在使空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域，如图8所示，发动机控制器100将喷嘴33进行的主喷射时刻设定为压缩上止点附近的特定喷射时刻，在该主喷射之前，使进行在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始的预喷射。而且，发动机控制器100，在高负荷运转区域，在预喷射后利用火花塞31的等离子点火将能量赋予在该等离子点火时刻以前喷射到气缸内的燃料，辅助燃料进行自行着火燃烧。亦即，该燃料喷射状态和等离子点火与参照图4的下图说明的燃料喷射状态和着火辅助相对应，所述“预喷射”相当于第一喷射，“主喷射”相当于第二喷射。
因此，由预喷射喷射出的燃料通过着火辅助而被赋予能量后即会升温着火，通过之后的主喷射喷射出燃料以该着火燃料为基点连续性地着火。为了使特定曲轴转角落在主燃烧时间内，如上所述，能量的赋予在从燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内进行。另一种说法就是，设定主喷射时刻，以便让特定曲轴转角落在主燃烧时间内。这样做以后，如上所述，在高负荷运转区域，燃烧时气缸内压力上升率的最大值就受到抑制，燃烧噪音降低，NVH性能提高。
在图3所示的工况图中，在如箭头所示从例如黑点所示的在低负荷运转区域的运转状态朝向根据油门操作所提出的加速要求而用白圈示出的在高负荷运转区域的运转状态转移时，需要让空气过剩率λ从λ≥2快速地变化到λ≤1。这里，在空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域，气门阀20被设定为完全打开，来不及对进气量进行减量控制，所以必须通过增加燃料喷射量来将空气过剩率λ改变成λ≤1。但是，在该情况下会发生转矩突然变化所导致的转矩冲击，还会导致NVH性能恶化。因为该发动机1是高压缩比发动机，所以转矩冲击、NVH性能恶化容易变得更加显著。
于是采取了以下做法，即，在该发动机1在低负荷运转区域和高负荷运转区域之间进行运转区域转移之际进行过渡控制，由此来避免转矩冲击、NVH性能恶化。具体而言，过渡控制，如图9所示，发动机控制器100除了设定成空气过剩率λ≤1以外，又将喷嘴33进行的主喷射时刻设定在高负荷运转区域的喷射时刻即压缩上止点附近的特定喷射时刻的迟后角一侧，这样一来，主燃烧时间就在上述气缸内压力上升率达最大负值的特定曲轴转角的迟后角一侧(参照图9中的实线)。
在过渡控制中也进行预喷射。与在高负荷运转区域的预喷射一样，预喷射被设定成在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始。发动机控制器100进一步在预喷射后利用火花塞31的等离子点火将能量赋予在该等离子点火时刻以前喷射到气缸内的燃料。
在该过渡控制中，通过将主燃烧时间设定在特定曲轴转角的迟后角一侧，主燃烧时间在膨胀行程中就会大幅度地迟后角化，所以燃烧效率下降。即使增加燃料喷射量，设定成空气过剩率λ≤1，所产生的转矩也变小。
另一方面，让主喷射时刻晚一些，由此而将主燃烧时间迟后角化，因此对于着火性和燃烧稳定性来说是不利的。但是借助在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始的预喷射和之后的等离子点火，即使在压缩上止点后气缸内的温度和压力较高的状态也能够得以维持，主喷射喷射出的燃料可靠地压缩着火，能够确保主燃烧的燃烧稳定性。
这里，像在图3中从黑点朝着白圈转移时那样，优选在发动机1的运转状态伴随着油门操作从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移时，在发动机1的运转状态进入高负荷运转区域后不久，换句话说，在过渡控制开始时，设定主喷射时刻(参照图9中实线所示的指示压力波形)，以便BMEP的指示压力波形与在过渡控制以前的低负荷运转区域的运转状态下产生的平均有效压力(BMEP)一样。之后，在图9中，像虚线和点划线的指示压力波形所示的那样，主喷射时刻逐渐地提前角化，以便主燃烧时间朝着特定曲轴转角提前角化。这样就既能够避免转矩冲击，又能够不断地提高转矩，设定主喷射时刻以便在最终主燃烧时间内包括特定曲轴转角，结束过渡控制。亦即，结束朝着高负荷运转区域的转移(参照图8)。
接下来，参照图10所示的流程图，说明发动机控制器100所进行的过度控制。需要说明的是，该流程图涉及的是发动机1的运转状态伴随着油门操作从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移时的过渡控制。
首先，在开始后的步骤S71中，判断空气过剩率λ是否为λ≥2。亦即，发动机的运转状态是否是低负荷运转区域。当步骤S71的判断为“是”时，则进入步骤S72。
在步骤S72中，判断有没有油门操作提出的加速要求。当有加速要求时(“是”时)，则进入步骤S73。
在步骤S73中，从油门的踩下量、发动机转速等参数推测成为转移目标的运转状态，计算出将空气过剩率切换成λ≤1的点(point)。然后，在接下来的步骤S74中，判断是否有朝向空气过剩率λ≤1的切换点，当无切换点时，换句话说，当发动机不朝着高负荷运转区域转移而是处于低负荷运转区域时，返回流程；而当有切换点，换句话说，发动机要从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移时，则进入步骤S75。
在步骤S75中，判断是否要求满负荷加速。当要求满负荷加速时，亦即发动机1的运转状态最终到达高负荷运转区域的满负荷域时，则进入步骤S76。另一方面，在没有满负荷加速要求时，亦即发动机1的运转状态最终到达高负荷运转区域的比满负荷低的负荷时(到达例如图2中白圈所示的负荷的情况)，则进入步骤S77。
在步骤S76中，进行上述过渡控制。亦即，执行预喷射和比特定喷射时刻迟后角化的主喷射，并且在该预喷射和主喷射之间进行等离子点火。这样，转移到空气过剩率λ≤1的高负荷运转区域以后立刻一边设定为空气过剩率λ≤1，一边抑制所产生的转矩，来避免转矩冲击和NVH性能恶化。在步骤S76中，通过将不断地将主喷射时刻提前角化来不断地提高转矩。
另一方面，在不是满负荷加速的步骤S77中，除了进行与步骤S76一样的过渡控制以外，还要对节气门进行控制，亦即调节气门阀20的开度来对进气量进行减量控制。这是因为在运转状态转移以前的低负荷运转区域进行空气过剩率λ≥2的富氧燃烧，气门阀20完全打开，在满负荷加速时，在运转状态转移后的满负荷域气门阀20也是完全打开，所以不用对气门阀20的开度进行调节，而在运转状态转移后并成了比满负荷低的负荷时，为了与根据该负荷设定的燃料喷射量相一致，气门阀20的开度被关小之故。亦即，在步骤S77中，过渡控制结束后，气门阀20的开度被关小，因此通过在进行过渡控制的过程中就开始关小气门阀20的开度，在过渡控制的执行过程中的燃料喷射量就会减少，有利于提高燃料消耗率。
在步骤S77中，也是与步骤S76一样，让主喷射时刻不断地提前角化来不断地提高转矩。
在步骤S76和步骤S77中过渡控制都结束后，在步骤S78中设定主喷射时刻以便特定曲轴转角包含在主燃烧时间内，朝着高负荷运转区域的转移即告结束。
就这样，在发动机的运转状态从低负荷运转区域朝着高负荷运转区域转移的过渡期，通过设置该过渡控制，使空气过剩率λ成为λ≤1而能够确保排放性能，也能够避免转矩冲击和NVH性能恶化。
另一方面，在发动机的运转状态从高负荷运转区域朝着低负荷运转区域转移的过渡期，只要执行与上述相反的步骤即可。亦即，在从高负荷运转区域朝着低负荷运转区域转移所涉及的过渡控制中，设定主喷射时刻，以便BMEP的指示压力波形与在开始进行过渡控制以前的高负荷运转区域的运转状态所产生的平均有效压力(BMEP)大致相同，例如图9中的点划线所示的指示压力波形。之后，像图9中虚线和实线的指示压力波形所示的那样，以主燃烧时间朝着迟后角一侧远离特定曲轴转角的方式逐渐地将主喷射时刻迟后角化。这样做以后，就既能够避免转矩冲击，又能够逐渐地降低转矩。当降低到能够使空气过剩率λ≥2的负荷(转矩)时，就结束过渡控制，朝着低负荷运转区域的转移即告结束。
需要说明的是，优选，像图3中点划线所示的那样，此时的过渡控制是基于设定在低负荷运转区域和高负荷运转区域的边界即规定负荷的高负荷一侧的负荷而开始的。亦即，从高负荷运转区域朝着低负荷运转区域转移之际的过渡控制只要在即将进入低负荷运转区域以前进行即可。这样做以后，在不缩小使空气过剩率λ≥2的低负荷运转区域的情况下，就能够朝着低负荷运转区域转移，有利于提高燃料消耗率。
就这样，在发动机的运转状态从高负荷运转区域朝着低负荷运转区域转移的过渡期，通过设置该过渡控制，使空气过剩率λ成为λ≤1而能够确保排放性能，也能够避免转矩冲击和NVH性能恶化。
需要说明的是，上述例子中，采用了燃烧室17和进气通道18的绝热构造，并且在气缸内(燃烧室17内)形成了由气体层形成的绝热层。但是这里所公开的技术对于不采用燃烧室17和进气通道18的绝热构造的发动机、不形成由气体层形成的绝热层的发动机也能够适用。
上述实施方式仅仅是简单的示例而已，不得对本发明的范围做限定性的解释。本发明的保护范围由权利要求的范围定义，属于权利要求等同范围内的变形、变更全都包括在本发明的范围内。
－产业实用性－
这里所公开的技术，对于具有让从喷嘴喷射到气缸内的、至少含有汽油的燃料自行着火燃烧的自行着火燃烧运转区域的直喷式汽油发动机有用。
－符号说明－
1直喷式汽油发动机
11气缸
31火花塞(着火辅助部件)
33喷嘴
100发动机控制器(喷射控制部件)(着火辅助部件)

Claims (14)

1.一种直喷式汽油发动机,其具有让从喷嘴喷射到气缸内的、至少含有汽油的燃料进行自行着火燃烧的自行着火燃烧运转区域,其特征在于:
所述发动机的几何压缩比在18以上40以下,
该直喷式汽油发动机包括:喷射控制部件和着火辅助部件,
该喷射控制部件构成为:控制所述喷嘴对燃料的喷射,
该着火辅助部件构成为:在所述发动机处于所述自行着火燃烧运转区域时对由所述喷嘴喷射到气缸内的燃料施加能量,辅助燃料进行自行着火燃烧,
所述喷射控制部件,在所述发动机处于所述自行着火燃烧运转区域时将燃料喷射开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内,
为了使在电动机带动所述发动机空转时气缸内的压力变化量与曲轴转角变化量之比即气缸内压力上升率成为最大负值的、压缩上止点后4°-15°的曲轴转角的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比达到10％以上90％以下的主燃烧时间内,所述着火辅助部件在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
2.根据权利要求1所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述着火辅助部件,为了使已燃烧燃料的质量百分比达到10％的时间点在压缩上止点后，将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
3.根据权利要求1所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述喷射控制部件,在所述发动机处于所述自行着火燃烧运转区域时,使进行喷射规定量燃料的第一喷射，并且在该第一喷射后使进行相对于该第一喷射连续或者非连续地喷射剩余的燃料的第二喷射，
所述着火辅助部件在从所述第一喷射末期到所述第二喷射初期为止的时间段内将所述能量赋予由该第一喷射喷射的燃料。
4.根据权利要求1所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述着火辅助部件利用等离子点火将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
5.根据权利要求1所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述喷射控制部件，在所述发动机处于比规定负荷低的低负荷运转区域时使燃烧时的空气过剩率λ达到2以上，
所述喷射控制部件，在所述发动机处于所述规定负荷以上的高负荷运转区域时,使燃烧时的空气过剩率λ达到1以下，并且为了所述特定曲轴转角落在所述主燃烧时间内将所述喷嘴的燃料喷射时刻设定为压缩上止点附近的特定喷射时刻，
所述喷射控制部件，在所述发动机在所述低负荷运转区域和所述高负荷运转区域之间转移的过渡期,进行使燃烧时的空气过剩率λ达到1以下并且为了实现所述主燃烧时间在所述特定曲轴转角的迟后角侧而使所述燃料喷射时刻比所述特定喷射时刻晚的过渡控制。
6.根据权利要求5所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述喷射控制部件，在所述发动机处于所述高负荷运转区域时将所述燃料喷射开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内,
所述着火辅助部件,在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料,由此让所述燃料进行自行着火燃烧。
7.根据权利要求5所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述喷射控制部件,在进行所述过渡控制时让所述喷嘴进行在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始的预喷射和在该预喷射后且比所述特定喷射时刻晚的时刻开始的主喷射。
8.根据权利要求7所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述着火辅助部件,在所述预喷射和所述主喷射之间将将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
9.根据权利要求5所述的直喷式汽油发动机,其特征在于:
所述喷射控制部件,在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着所述高负荷运转区域内的满负荷域转移的过渡期间内进行所述过渡控制,
相对于此,所述喷射控制部件,在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着负荷比所述满负荷低的所述高负荷运转区域转移的过渡期间内,在所述喷射控制部件进行所述过渡控制的过程中进一步对进气量进行减量控制。
10.一种直喷式汽油发动机的控制方法，该直喷式汽油发动机构成为：具有将几何压缩比设定在18以上40以下的气缸且直接向该气缸内喷射至少含有汽油的燃料，其特征在于：
在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始向所述气缸内喷射燃料,
为了使在电动机带动所述发动机空转时气缸内的压力变化量与曲轴转角变化量之比即气缸内压力上升率成为最大负值的、压缩上止点后4°-15°的曲轴转角的特定曲轴转角落在已燃烧燃料的质量百分比达到10％以上90％以下的主燃烧时间内,在从所述燃料喷射开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将能量赋予喷射到所述气缸内的燃料,
让喷射到所述气缸内的燃料进行自行着火燃烧。
11.根据权利要求10所述的直喷式汽油发动机的控制方法，其特征在于：
在所述发动机处于比规定负荷低的低负荷运转区域时，使燃烧时的空气过剩率λ成为2以上，再让所述发动机运转，
在所述发动机处于所述规定负荷以上的高负荷运转区域时，通过使燃烧时的空气过剩率λ成为1以下并且将朝着所述气缸内喷射燃料的时刻设定为压缩上止点附近的特定喷射时刻,来让所述特定曲轴转角包含在所述主燃烧时间内,再让所述发动机运转，
在所述发动机在所述低负荷运转区域和所述高负荷运转区域之间转移的过渡期,通过使燃烧时的空气过剩率λ在1以下并且进行使所述燃料喷射时刻比所述特定喷射时刻晚的过渡控制,来让所述主燃烧时间在所述特定曲轴转角的迟后角侧,再让所述发动机运转。
12.根据权利要求11所述的直喷式汽油发动机的控制方法，其特征在于：
在所述发动机处于所述高负荷运转区域时,将所述燃料喷射的开始时刻设定在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内,
在从所述燃料喷射的开始后到膨胀行程初期为止的时间段内将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料,由此让所述燃料进行自行着火燃烧。
13.根据权利要求11所述的直喷式汽油发动机的控制方法，其特征在于：
在进行所述过渡控制时,作为向所述气缸内的燃料喷射，进行在从压缩行程末期到压缩上止点为止的时间段内开始的预喷射、和在该预喷射后且比所述特定喷射时刻晚的时刻开始的主喷射,并且在所述预喷射和主喷射之间将所述能量赋予喷射到所述气缸内的燃料。
14.根据权利要求11所述的直喷式汽油发动机的控制方法，其特征在于：
在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着所述高负荷运转区域内的满负荷域转移的过渡期进行所述过渡控制,
在所述发动机从所述低负荷运转区域朝着负荷比所述满负荷低的所述高负荷运转区域转移的过渡期,在进行所述过渡控制的过程中进一步对进气量进行减量控制。
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