CN106050451B - 内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机的控制装置。目的在于，在使用自燃温度较高的燃料来进行柴油燃烧的内燃机中，抑制燃料发生急剧的自燃。在本发明中，在压缩行程中进行火花点火的预燃烧。之后，在压缩行程上止点前执行缸内喷射阀的主喷射。由此，通过主喷射而喷射出的燃料以通过预燃烧而产生的火焰为起点开始燃烧，进而产生燃料的自燃以及扩散燃烧。而且，在本发明中，至少在内燃机的一部分运转区域，在对预喷射燃料进行火花点火之后且主喷射之前的正时执行中间喷射。而且，通过中间喷射而喷射出的燃料通过火焰传播而燃烧。

Description

内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及内燃机的控制装置。
背景技术
作为对燃烧室内的压缩空气直接喷射燃料而使该燃料自燃并扩散燃烧的燃烧方式的所谓的柴油燃烧，与通过火花点火进行的燃烧相比，其热效率较高。近年来，为了在汽油发动机也享有这样的柴油燃烧的优点，正在开发用于使通过汽油的自燃以及扩散燃烧进行的燃烧成立的技术。
例如在专利文献1所公开的技术中，首先，通过利用缸内喷射阀在压缩行程的前一半进行第1燃料喷射而在燃烧室内整个区域形成大致均质的混合气。然后，对通过第1燃料喷射形成的混合气进行火花点火。之后进行第2燃料喷射而使所喷射出的燃料燃烧，进而，利用由该燃烧引起的燃烧室内的温度以及压力上升而使剩余的燃料自燃。
另外，在专利文献2中公开了以自燃温度较高的天然气等作为燃料来用于实现柴油燃烧的技术。在该专利文献2所公开的技术中，首先，在压缩行程的初期或中期对燃烧室内的预定的火花点火区域进行燃料喷射，由此形成可火花点火的混合气。而且，在即将到达压缩行程上止点的正时对形成于该火花点火区域的混合气进行点火，由此进行火花点火燃烧。由此，燃烧室内成为能够使天然气自燃的高温且高压的状态。之后，向高温高压状态的燃烧室内直接喷射燃料而使该燃料进行柴油燃烧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-276442号公报
专利文献2：日本特开2003-254105号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，在使用像汽油这样自燃温度较高的燃料来进行柴油燃烧的内燃机中，抑制产生燃料急剧的自燃。
用于解决问题的方案
本发明的内燃机的燃料喷射阀从燃烧室的中央附近的位置放射状喷射燃料。在内燃机中，在压缩行程中执行燃料喷射阀的预喷射，并且对通过该预喷射而喷射出的燃料(以下也有时称为“预喷射燃料”)进行火花点火。之后，在压缩行程上止点前开始执行燃料喷射阀的主喷射。由此，以通过对预喷射燃料进行火花点火而产生的火焰为起点，使通过主喷射而喷射出的燃料(以下也有时称为“主喷射燃料”)开始燃烧，进而产生燃料的自燃以及扩散燃烧。
进而，在本发明中，至少在内燃机的一部分运转区域，除了执行预喷射以及主喷射之外，还执行燃料喷射阀的中间喷射。该中间喷射在对预喷射燃料进行的火花点火之后且主喷射之前的正时进行。而且，通过中间喷射而喷射出的燃料(以下也有时称为“中间喷射燃料”)通过火焰传播而燃烧。此外，本发明的“预喷射”、“主喷射”、“中间喷射”这样的用语只不过是为了在一个燃烧循环中区分由燃料喷射阀执行的各个燃料喷射而出于方便的目的使用的。
更详细而言，本发明的内燃机的控制装置具备：燃料喷射阀，其从内燃机中的燃烧室的中央附近的位置放射状喷射燃料；点火装置，其相对于所述燃料喷射阀的相对位置被确定为使得从该燃料喷射阀喷射出的燃料喷雾的一部分通过可点火区域并能够对该燃料喷雾直接点火；以及燃烧控制单元，其在压缩行程中的预喷射正时执行所述燃料喷射阀的预喷射，并且由所述点火装置对通过该预喷射形成的燃料喷雾即预喷雾进行点火，进而，在主喷射正时开始执行所述燃料喷射阀的主喷射，由此产生燃料的自燃并且至少使通过所述主喷射而喷射出的燃料的一部分扩散燃烧，所述主喷射正时是由所述点火装置对所述预喷雾点火之后且压缩行程上止点前的正时，且所述主喷射正时被设定为使得喷射燃料以通过对所述预喷雾点火而产生的火焰为起点开始燃烧，至少在内燃机的一部分运转区域，所述燃烧控制单元，在一个燃烧循环中除了执行所述预喷射和所述主喷射以外还在中间喷射正时执行由所述燃料喷射阀喷射比同一个燃烧循环中的所述预喷射的燃料喷射量少的燃料的中间喷射，并通过下述的火焰传播使通过该中间喷射而喷射出的燃料燃烧，所述火焰传播是以通过对所述预喷雾点火而产生的火焰为起点的火焰传播，所述中间喷射正时是由所述点火装置对所述预喷雾点火之后且所述主喷射正时之前的正时。
本发明的燃料喷射阀从燃烧室的中央附近的位置放射状喷射燃料。而且，在本发明中，首先，在压缩行程中的预喷射正时执行预喷射，并且利用点火装置对由预喷射燃料形成的预喷雾进行直接点火。由此，可实现所谓的喷雾引导燃烧。以下也有时将这样的通过对预喷雾点火而产生的喷雾引导燃烧称为“预燃烧”。而且，在对预喷雾进行点火的点火正时之后的主喷射正时开始执行主喷射。此外，主喷射是在压缩行程上止点前开始执行的喷射，但也可以使主喷射持续到压缩行程上止点以后。
另外，在本发明中，预喷射正时、点火正时、以及主喷射正时被设定为使得主喷射燃料以通过预燃烧而产生的火焰为起点开始燃烧。而且，在主喷射燃料开始燃烧后，燃料会因燃烧室内的温度以及压力上升而发生自燃，进而至少主喷射燃料的一部分进行扩散燃烧。另外，预喷射燃料中的、通过点火装置的点火而燃烧的燃料是一部分。除了通过由该点火产生的火焰传播而燃烧的一部分燃料以外的预喷射燃料在主喷射的执行开始后通过自燃或扩散燃烧而燃烧。因此，预喷射燃料以及主喷射燃料均贡献于内燃机的输出。因此，能够实现热效率高的柴油燃烧。
在此，如上所述，预燃烧是通过火焰传播而进行的燃烧。而且，通过在产生了该火焰传播的期间执行主喷射，从而主喷射燃料以该火焰为起点开始燃烧。然而，在燃料喷射阀的周围的一部分区域，在因对预喷雾点火而在点火装置附近产生的火焰通过传播到达之前，预喷射燃料发生扩散，从而有时成为空燃比高到燃料难以燃烧的程度的状态。在成为这样的空燃比高的状态的区域火焰无法传播。因此，在燃料喷射阀的周围，局部地产生即使在预燃烧时也不产生火焰的区域。以下将这样的区域称为“火焰未产生区域”。
而且，在本发明中，自燃料喷射阀从燃烧室的中央附近的位置放射状喷射燃料。因此，在预燃烧时产生了火焰未产生区域的情况下，若通过燃料喷射阀执行主喷射，则也向该火焰未产生区域供给主喷射燃料。然而，在火焰未产生区域，与存在有通过预燃烧而产生的火焰的其他区域相比，通过主喷射而供给的燃料(主喷射燃料)难以燃烧。因此，火焰未产生区域中的开始执行主喷射后的燃料的自燃的产生迟于其他区域中的执行主喷射后的燃料的自燃的产生。其结果，在火焰未产生区域中产生的燃料的自燃变得急剧。这样的燃料的急剧的自燃成为产生爆震、燃烧噪音的产生原因。
于是，在本发明中，至少在内燃机的一部分运转区域，除了执行预喷射以及主喷射之外，还执行燃料喷射阀的中间喷射。该中间喷射通过在点火装置对预喷雾点火后且主喷射正时之前的中间喷射正时，由燃料喷射阀喷射比同一燃烧循环中的预喷射的燃料喷射量少的量的燃料来执行。另外，中间喷射正时被设定为使得中间喷射燃料通过以通过对预喷雾点火而产生的火焰为起点的火焰传播来燃烧的正时。即，中间喷射燃料被提供给预燃烧。
通过在中间喷射正时执行中间喷射，从而在主喷射正时之前向如下区域追加供给燃料(中间喷射燃料)，所述区域是在假定没有执行所述中间喷射的情况下可能成为火焰未产生区域的区域。由此，该区域中的空燃比降低到燃料能够燃烧的程度。其结果，通过预燃烧而产生的火焰能够传播到该区域。因此，在该区域也产生火焰。即，中间喷射燃料通过火焰传播而燃烧，由此，可在主燃料喷射开始执行的时刻的燃料喷射阀的周围扩大火焰所存在的区域。
这样，通过执行中间喷射，可抑制火焰未产生区域的产生。另外，中间喷射燃料量少于同一燃烧循环中的预喷射燃料量。因此，即使在执行了中间喷射的情况下，也能够尽量地抑制在主喷射正时之前产生燃料的自燃。
根据以上内容，采用本发明，能够抑制燃料发生急剧的自燃。其结果，能够抑制爆震、燃烧噪音的产生。
在此，存在如下倾向：内燃机的内燃机负载越高，则汽缸内的压力以及温度越高。因此，在预燃烧时产生了火焰未产生区域的情况下，内燃机的内燃机负载越高，则在执行了主喷射时越容易产生燃料的急剧的自燃。于是，在本发明中，也可以将执行中间喷射的这一部分的运转区域设为内燃机的内燃机负载高于预定负载的运转区域。而且，也可以是，在内燃机的内燃机负载为预定负载以下的运转区域，燃烧控制单元在一个燃烧循环中执行预喷射以及主喷射，在内燃机的内燃机负载高于预定负载的运转区域中，燃烧控制单元在一个燃烧循环中除了执行预喷射以及主喷射之外还执行中间喷射。这样的话，在内燃机的内燃机负载较高的运转区域，能够在尽量抑制燃料的急剧的自燃的同时实现热效率高的柴油燃烧。
另外，在本发明中，也可以是，将中间喷射燃料量设为比在执行预喷射的所有运转区域中的最少的预喷射燃料量少的量。这样的话，即使在执行了中间喷射的情况下，也能够以更高的概率抑制在主喷射正时之前产生燃料的自燃。
另外，在本发明中，也可以是，将中间喷射燃料量设为比下述燃料喷射量的下限值少的量，该燃料喷射量是基于所述中间喷射正时的汽缸内的空气量、压力以及温度并使用Livengood-Wu积分算式算出的、在所述中间喷射执行后且所述主喷射正时之前会产生燃料的自燃的燃料喷射量。
发明的效果
根据本发明，其目的在于，在使用像汽油那样自燃温度较高的燃料来进行柴油燃烧的内燃机中，抑制燃料发生急剧的自燃。
附图说明
图1是表示应用本发明的实施例的内燃机及其进气***以及排气***的概略结构的图。
图2是用于说明被搭载在图1所示的内燃机的火花塞的配置的图。
图3是用于说明在本发明的实施例中执行的基本燃烧控制的图。
图4是表示在进行本发明的实施例的基本燃烧控制时的燃烧室中的热产生率的推移的图。
图5是表示本发明的实施例的基本燃烧控制中的预喷射的、预喷射燃料量和预喷射燃料的燃烧效率的相关的图。
图6是表示在本发明的实施例的基本燃烧控制中变更了预喷射燃料量和主喷射燃料量的比率的情况下的燃烧室内的热产生率的推移的变化的图。
图7是表示在执行了本发明的实施例的基本燃烧控制的情况下的汽缸内的燃料和火焰的情形的图。
图8是用于说明在本发明的实施例中执行的高负载燃烧控制的图。
图9是表示执行了本发明的实施例的高负载燃烧控制的情况下的汽缸内的燃料和火焰的情形的图。
图10是表示本发明的实施例的燃烧控制所使用的控制映射的图。
图11是表示本发明的实施例的燃烧控制的控制流程的流程图。
具体实施方式
以下基于附图对本发明的具体的实施方式进行说明。本实施例所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、及其相对配置等只要没有特别记载，并不意在将发明的技术范围仅限定于此。
【实施例1】
图1是表示应用本发明的内燃机及其吸气排气***的概略结构的图。图1所示的内燃机1是具备多个汽缸的4冲程·循环的火花点火式内燃机(汽油发动机)。此外，在图1中仅示出了多个汽缸中的1个汽缸。另外，内燃机1构成为在汽缸2内形成涡流。
在内燃机1的各汽缸2，以滑动自由的方式内置有活塞3。活塞3借助连杆4与未图示的输出轴(曲轴)连结。另外，汽缸2的内部与进气口7以及排气口8连通。汽缸2内的进气口7的开口端由进气门9进行开闭。汽缸2内的排气口8的开口端由排气门10进行开闭。进气门9和排气门10分别由未图示的进气凸轮和排气凸轮驱动而进行开闭。
另外，在各汽缸2设有燃料喷射阀6以及火花塞5。燃料喷射阀6配置于在汽缸2内形成的燃烧室的中央顶部，向汽缸内直接喷射燃料。火花塞5在汽缸2的燃烧室内对燃料(喷雾或混合气)进行点火。
在此，基于图2对汽缸2中的火花塞5的配置进行说明。本实施例的燃料喷射阀6具有喷孔6a，以能够如图2所示那样放射状向16个方向喷射燃料。而且，火花塞5相对于燃料喷射阀6的相对位置被确定为，使得从喷孔6a喷射出的燃料喷雾的至少一个通过火花塞5的可点火区域即电极间的区域5a，并且能够通过在区域5a中的电极间产生的火花对该通过的喷雾直接点火。如此构成的火花塞5和燃料喷射阀6能够实现喷雾引导燃烧。即，燃料喷射阀6以及火花塞5与内燃机1的进气门9的开阀正时、活塞3的位置无关而能够在任意正时对通过区域5a的燃料喷雾进行点火。此外，在本实施例中，火花塞5为了不与进气门9以及排气门10的动作发生干涉而位于两个进气口7的开口部之间。但是，本发明的点火装置的位置并不限于两个进气口的开口部之间。另外，在本实施例中，如图2所示，设为从喷孔6a喷射出的燃料喷雾中的一个和火花塞5的电极相重叠这样的结构。然而，火花塞5的可点火区域并不限于该电极间的区域5a，也包括该电极附近的区域。因此，从喷孔6a喷射出的燃料喷雾和火花塞5的电极未必需要重叠。即，火花塞5a未必需要配置在来自喷孔6a的燃料的喷射方向上(喷雾的中心轴上)。从喷孔6a喷射出的燃料喷雾即使偏离火花塞5的电极，只要该燃料喷雾通过可点火区域，就也能够实现以在火花塞5的电极间产生的火花为起点的喷雾引导燃烧。即，在本实施例中，火花塞5相对于燃料喷射阀6的相对位置只要是能够实现喷雾引导燃烧的位置即可，火花塞5也可以配置在与来自喷孔6a的燃料的喷射方向上(喷雾的中心轴上)相偏离的位置。
在此，返回图1，进气口7与进气通路70连通。在进气通路70配置有节气门71。在节气门71上游的进气通路70配置有空气流量计72。另一方面，排气口8与排气通路80连通。在排气通路80配置有用于对从内燃机1排出的排气进行净化的排气净化催化剂81。此外，如后述那样，从内燃机1排出的排气的空燃比是比理想空燃比高的稀空燃比。因此，作为排气净化催化剂81，可以采用能够进行稀空燃比的排气中的NOx净化的选择还原型的NOx催化剂和/或能够捕集排气中的颗粒状物质(PM)的过滤器。
而且，在内燃机1中一并设有电子控制单元(ECU)20。该ECU20是对内燃机1的运转状态、排气净化装置等进行控制的单元。ECU20电连接上述的空气流量计72、曲轴位置传感器21以及加速器位置传感器22，各传感器的检测值被输入到ECU20。因此，ECU20能够掌握由空气流量计72检测的吸入空气量、基于曲轴位置传感器21的检测值算出的内燃机旋转速度、以及基于加速器位置传感器22的检测值算出的内燃机负载等内燃机1的运转状态。另外，ECU20电连接燃料喷射阀6、火花塞5、以及节气门71等，该各要素由ECU20控制。
＜基本燃烧控制＞
基于图3对在如上述那样构成的内燃机1中执行的基本的燃烧控制即基本燃烧控制进行说明。图3是示意性地表示在从图的左侧向右侧行进的时间序列中与在内燃机1中进行的基本燃烧控制有关的燃料喷射以及点火的流程(参照图3的(a)的上段)、和与设想由于该燃料喷射以及点火而在燃烧室产生的燃烧有关的事件的变迁(参照图3的(a)的下段)的图。另外，在图3的(b)中示出了图3的(a)所示的燃料喷射即预喷射和主喷射、以及点火的时间相关。此外，图3所示的方式终归是为了说明本实施例的基本燃烧控制而示意性地示出的方式，不应该将本发明限定于该方式地进行解释。
在本实施例的基本燃烧控制中，在一个燃烧循环中，通过燃料喷射阀6执行预喷射和主喷射。预喷射是在压缩行程中执行的燃料喷射。主喷射是在预喷射之后且压缩行程上止点(TDC)之前的正时开始执行的燃料喷射。此外，主喷射虽然在TDC之前的正时开始执行，但可以使其执行持续到TDC以后。而且，如图3的(b)所示，将预喷射的喷射开始正时(以下简称为“预喷射正时”)设为Tp，将主喷射的喷射开始正时(以下简称为“主喷射正时”)设为Tm。另外，将预喷射正时和主喷射正时的间隔(Tm-Tp)定义为第1喷射间隔Di1。另外，通过预喷射进行的燃烧作为上述的喷雾引导燃烧被执行。即，通过火花塞5对由通过预喷射喷射出的燃料(以下称为“预喷射燃料”)形成的预喷雾进行点火。将该点火正时如图3的(b)所示设为Ts。另外，将从开始执行预喷射到进行点火的间隔(Ts-Tp)定义为点火间隔Ds。
接着，对本发明的基本燃烧控制的流程进行说明。
(1)预喷射
在基本燃烧控制中，在一个燃烧循环中，首先，在压缩行程中的预喷射正时Tp进行预喷射。此外，预喷射正时Tp基于与后述的主喷射正时Tm的相关来决定。通过执行预喷射，如图2所示，由从燃料喷射阀6喷射出的预喷射燃料形成的预喷雾在燃烧室内通过火花塞5的可点火区域5a。另外，由于预喷雾的渗透性(penetration)小，因此在燃烧室内不大范围地扩散。因此，在刚执行预喷射之后，由预喷射燃料在燃烧室内形成分层混合气。
(2)对预喷射燃料的点火
然后，在从预喷射正时经过了预定的点火间隔Ds的点火正时Ts，由火花塞5对预喷雾进行点火。如上所述，在刚执行预喷射之后，预喷射燃料变得分层。因此，即使该预喷射燃料量是少量的，火花塞5周围的局部的空燃比也成为能够通过该点火而燃烧的空燃比。由于该点火，预喷射燃料通过火焰传播而燃烧。即，可进行预喷射燃料的喷雾引导燃烧。换言之，将点火间隔Ds设定成能够进行喷雾引导燃烧(以下将预喷射燃料的喷雾引导燃烧称为“预燃烧”。)。而且，除了由活塞3的压缩作用引起的压力上升之外，还进行预燃烧，由此可获得燃烧室内的进一步的温度上升。不过，预喷射燃料中通过该预燃烧而燃烧的燃料是一部分。即，预喷射燃料的大部分不提供给通过因点火产生的火焰传播而进行的燃烧，而在该点火以后也作为“燃剩燃料”存在于燃烧室内。这是因为，对于由预喷射燃料形成的分层混合气中的距火花塞5的电极间较远的部分，由于其空燃比高，因此火焰无法传播。不过，该燃剩燃料因预喷射燃料的一部分在燃烧室内燃烧而暴露在高温气氛中。因此，可期待燃剩燃料的至少一部分成为由于不至于燃烧的状况下的低温氧化反应而被改性为燃烧性提高了的物性的状态。不过，本发明中的预喷射燃料的燃烧剩余是指不提供给通过因点火产生的火焰传播而进行燃烧，而在该点火以后也在燃烧室内以未燃的状态残留的燃料，并不是必须要求该燃烧后所残留的燃料成为呈现特定的物性的状态。
(3)主喷射
接着，在从预喷射正时经过了预定的第1喷射间隔Di1的压缩行程上止点前的主喷射正时Tm(从火花塞5的点火正时Ts经过了Di1-Ds的时间的正时Tm)，开始通过燃料喷射阀6执行主喷射。此外，在内燃机1中，如后述那样主喷射燃料提供给自燃或扩散燃烧，贡献于内燃机输出。因此，主喷射正时Tm被设定为通过由内燃机负载等决定的量的主喷射燃料的燃烧而获得的内燃机输出成为大致最大的正时(以下称为“适当喷射正时”)。而且，对于主喷射燃料，由对预喷雾进行点火而产生的火焰成为火种而燃烧。即，主喷射正时Tm被设定为适当喷射正时，并且将第1喷射间隔Di1设定成以通过对预喷雾进行点火而产生的火焰为起点开始主喷射燃料的燃烧。通过如此设定主喷射正时Tm和第1喷射间隔Di1，预喷射正时Tp必然确定。而且，若主喷射燃料开始燃烧，则燃烧室内的温度进一步上升。其结果，预喷射燃料的燃烧剩余和主喷射燃料在该温度上升的时候自燃，进而这些燃料被提供给扩散燃烧。此时，在如上述那样预喷射燃料的燃烧剩余的燃烧性提高了的情况下，能够期待可进一步促进主喷射开始执行后的燃料的自燃。
在此，图4中示出进行本实施例的基本燃烧控制时的燃烧室内的热产生率的推移。此外，在图4中，示出了与4个不同的控制方式L1～L4相对应的热产生率的推移。在这些控制方式L1～L4中，预喷射正时Tp、预喷射燃料量(即，预喷射的执行期间)、主喷射正时Tm、点火正时Ts相同，但主喷射燃料量(即，主喷射的执行期间)按每个控制方式而不同。即，主喷射燃料量成为L1>L2>L3>L4。即，在图4中示出了使预喷射正时Tp、预喷射燃料量、主喷射正时Tm、以及点火正时Ts相同时的与主喷射燃料量的增减相应的热产生率的推移的变化。
在此，在图4中，在由虚线圈起来的Z1的部分，表示热产生率的一次峰值。该一次峰值表示通过预喷射燃料因点火发生燃烧而产生的热(即，通过预燃烧而产生的热)。在该热产生率的一次峰值出现的正时，主喷射还未进行，在燃烧室内存在有通过对预喷射燃料进行点火而产生的火焰、和未因该点火发生燃烧的预喷射燃料即燃剩燃料。在此，基于图5对预喷射燃料的燃烧剩余进行说明。图5是针对3个燃烧条件L5～L7分别表示基本燃烧控制下的预喷射中的、预喷射燃料量和预喷射燃料的燃烧效率(以下称为预燃烧效率。)的相关的图。具体而言，按照L5、L6、L7的顺序，使作为燃烧条件的预喷射正时Tp和点火正时Ts在两正时的间隔即点火间隔Ds恒定的状态下提前。此外，在图5中，示出了在不进行主喷射而仅进行预喷射以及点火的(即，仅喷雾引导燃烧)的情况下的上述相关。
预燃烧效率与预喷射燃料的燃剩率具有以下的式1所示的关联性。即，预燃烧效率越高，则预喷射燃料的燃剩率越低。
预喷射燃料的燃剩率＝1-预燃烧效率···(式1)
在此，根据图5，在预喷射燃料量恒定的情况下，若使预喷射正时Tp以及点火正时Ts提前(即，若增大第1喷射间隔Di1)，则预燃烧效率降低，因此显现出燃剩率变高的倾向。另外，即使在使预喷射燃料量变化的情况下，通过对预喷射正时Tp以及点火正时Ts的提前量进行调整，也能够将预燃烧效率和燃剩率控制为恒定。这样在本实施例的燃烧控制中，通过对预喷射燃料量、预喷射正时Tp以及点火正时Ts的提前量(即，第1喷射间隔Di1)进行调整，能够控制预喷射燃料的燃剩率。
在此，返回图4，在热产生率的一次峰值产生的正时之后且在压缩行程上止点前的正时Tm开始执行主喷射。此时，如上所述，主喷射燃料首先以通过预燃烧而产生的火焰为起点开始燃烧，然后与预喷射燃料的燃烧剩余一起自燃，进而提供给扩散燃烧。其结果，在过了压缩行程上止点的正时产生热产生率的最大峰值即二次峰值。在此，在图4中，随着主喷射燃料量的增加(即，随着主喷射期间变长)，热产生率的二次峰值的值变大的同时，二次峰值的产生正时变晚。这意味着随着主喷射燃料量的增加而主喷射燃料的燃烧期间变长。由此能够推测，主喷射燃料以及预喷射燃料的燃烧剩余被提供给扩散燃烧。
并且，基于图6对在本实施例的基本燃烧控制中产生的燃料的自燃进行说明。图6表示在本实施例的基本燃烧控制中在一个燃烧循环中的合计喷射量(预喷射燃料量和主喷射燃料量的合计)保持恒定的状态下变更了预喷射燃料量和主喷射燃料量的比率的两个方式L8、L9各自的、在燃烧室内的热产生率的推移。另外，L9的方式与L8的方式相比，预喷射燃料量的比率较高。即，L9的方式与L8的方式相比，预喷射燃料量较多，其结果，预喷射燃料的燃剩量也较多。在该情况下，如图6所示，在L9的方式中，与L8的方式相比，压缩行程上止点后的热产生率的二次峰值较大。而且，在L9的方式中，与L8的方式相比，从热产生率的二次峰值起的下降速度(二次峰值以后的图形的倾斜度)较大。推测为这意味着：在主喷射开始后的预喷射燃料的燃烧剩余以及主喷射燃料的燃烧中，在L9的方式中，与L8的方式相比，更加促进自燃的燃烧(即，通过自燃而燃烧的燃料的比例较高，通过扩散燃烧而燃烧的燃料的比例较低)。由此可认为，预喷射燃料的燃烧剩余有助于促进主喷射后的燃料的自燃。另外，本发明的发明人确认了如下内容：在本实施的基本燃烧控制中，除了预喷射燃料量以外，在通过调整预喷射正时Tp和/或点火正时Ts来增多预喷射燃料的燃剩量的情况下，也可促进主喷射后的燃料的自燃。即，在本实施例的基本燃烧控制中，通过对与预喷射和/或点火有关的参数进行调整来提高预喷射燃料的燃剩率，能够在主喷射开始执行后的预喷射燃料的燃烧剩余和主喷射燃料的燃烧中促进自燃。
如以上说明那样，在本实施例的基本燃烧控制中，在通过预喷射和火花塞5的点火而进行的喷雾引导燃烧之后执行主喷射，由此产生燃料的自燃以及扩散燃烧。因此，该基本燃烧控制下的燃烧相当于所谓的柴油燃烧。因此，能够将燃烧室内的混合气的空燃比设为极高的稀空燃比(例如20～70程度)。另外，为了实现这样的稀空燃比下的燃烧，在本实施例的燃烧控制中，与以往的汽油发动机的燃烧控制(均质理想配比控制)相比，将节气门71的开度设置得较大。因此，能够减小内燃机1中的泵气损失。而且，通过贡献于内燃机输出的燃烧由自燃以及扩散燃烧进行，也能够使内燃机1中的冷却损失小于以往的均质理想配比控制时的冷却损失。因此，根据本实施例的基本燃烧控制，能够达成在以往的汽油发动机的燃烧控制中无法实现的高的热效率。
此外，预喷射在压缩行程中的预喷射正时Tp进行。因此，也认为，若预喷射燃料通过火花塞5的点火而燃烧，则会发挥作用而妨碍内燃机1的内燃机输出。然而，在通过对预喷射燃料的预喷雾进行点火而进行的燃烧中，只要形成作为主喷射燃料的燃烧用的火种的火焰即可。因此，如上述，在预喷射燃料中，被提供给通过因点火产生的火焰传播而进行的燃烧的燃料是其中的一部分。因此，预喷射燃料的喷雾引导燃烧妨碍内燃机输出的作用小。而且，不被提供给喷雾引导燃烧的预喷射燃料的燃烧剩余在主喷射后与主喷射燃料一起被提供给自燃或扩散燃烧，因此贡献于内燃机输出。因此，通过增加预喷射燃料量并且使其燃剩率上升，也能够应对内燃机负载的上升。
另外，如上述，主喷射正时被设定为内燃机1的内燃机输出成为大致最大的适当喷射正时。因此，能够通过增加主喷射燃料量来在某种程度内应对内燃机的负载的上升。然而，主喷射是在压缩行程上止点附近的燃烧室内的压力非常高时进行的，因此，从燃料喷射阀6喷射出的燃料喷雾的渗透性小。即，通过主喷射而喷射出的燃料喷雾难以大范围地扩散。因此，若过度地增加主喷射燃料量，则会变成存在于主喷射燃料的喷雾的周围的氧即被提供给主喷射燃料的燃烧的氧的量相对于燃料不足的状态，其结果，烟的产生量有可能增加。另外，在本实施例的燃烧控制中，在主喷射后需要产生燃料的自燃，但若主喷射燃料量变得过多，则也有可能由于该主喷射燃料的汽化潜热而使燃烧室内的温度降低，燃烧变得不稳定。另一方面，在主喷射正时，预喷射燃料的燃烧剩余与主喷射燃料相比在燃烧室内扩散到更大的范围。因此，预喷射燃料的燃烧剩余在被提供给自燃或扩散燃烧时成为容易确保充分的氧的状态。因此，在通过预喷射燃料的增加及其燃剩率的上升来应对内燃机负载的上升的情况下，与增加主喷射燃料量的情况相比，能够抑制烟的产生量。
＜火焰未产生区域＞
在此，基于图7对执行了上述那样的基本燃烧控制的情况下的汽缸内的燃料和火焰的情形进行说明。在图7中，时间按照(a)、(b)、(c)、(d)的顺序推移。另外，在图7中，FSp表示预喷雾。FSm表示通过主喷射而形成的燃料喷雾(以下也有时称为“主喷雾”。)。E表示在燃料喷射后存在于燃料喷射阀6的周围的燃料(包括燃剩燃料)。Fr表示由预燃烧产生的火焰。此外，如图2所示，从燃料喷射阀6向16个方向喷射燃料，但在图7中，为了方便起见仅图示了8个从燃料喷射阀6喷射出的燃料喷雾。另外，在图7中，白色空心箭头表示汽缸2内的涡流的流动方向。
在内燃机1中，在预喷射正时执行燃料喷射阀6的预喷射后，如图7的(b)所示，预喷雾FSp其中之一通过火花塞5的可点火区域。而且，在由火花塞5对预喷雾FSp进行点火后，预喷射燃料燃烧，从而在火花塞5附近产生火焰Fr。该火焰Fr在燃料喷射阀6的周围传播。此时，在汽缸2内形成有涡流，因此如图7的(c)所示，火焰Fr主要向涡流的流动方向传播出去。而且，在产生了该火焰传播的期间，若在主喷射正时执行燃料喷射阀6的主喷射后，如图7的(d)所示，对火焰Fr供给主喷射燃料。由此，以火焰Fr作为起点开始主喷射燃料的燃烧，然后产生燃料的自燃以及扩散燃烧。
在此，如上所述，在刚执行预喷射之后，预喷射燃料在燃料喷射阀6的周围变得分层。然而，从燃料喷射阀6喷射出的预喷射燃料在预喷射后随着时间的推移逐渐扩散到大的范围。因此，在燃料喷射阀6的周围的一部分区域，预喷射燃料在火焰Fr通过传播而到达之前扩散，从而有时成为空燃比高到燃料难以燃烧的程度的状态。其结果，如在图7的(c)中由虚线圈起来的区域X那样，有时在燃烧室内局部地产生即使在预燃烧时也不产生火焰的区域(以下称为“火焰未产生区域”)。
而且，在产生了上述那样的火焰未产生区域X的情况下，在执行燃料喷射阀6的主喷射后，如图7的(d)所示，也向该火焰未产生区域X供给主喷射燃料。如上所述，朝向火焰Fr喷射出的主喷射燃料以该火焰Fr为起点开始燃烧。然而，在火焰未产生区域X中不存在应该成为主喷射燃料的燃烧的起点的火焰Fr。因此，在火焰未产生区域X，与在主喷射正时存在有火焰Fr的燃烧室内的其他区域相比，所供给的主喷射燃料难以燃烧。但是，若燃烧室内的温度以及压力因向火焰未产生区域X以外的区域供给的主喷射燃料产生燃烧而上升，则向火焰未产生区域X供给的主喷射燃料也会自燃。然而，在该情况下，火焰未产生区域X中的主喷射开始执行后的燃料的自燃的产生晚于其他区域中的主喷射执行开始后的燃料的自燃的产生。即，燃料的自燃延迟期间变长。其结果，在火焰未产生区域X中产生的燃料的自燃变得比其他区域中的燃料的自燃急剧。这样的燃料的急剧的自燃成为爆震、燃烧噪音的产生原因。
＜高负载燃烧控制＞
尤其是，在内燃机1的内燃机负载高的情况下，存在汽缸2内的压力以及温度变高的倾向。因此，若在预燃烧时产生火焰未产生区域，则在执行了主喷射时容易产生燃料的急剧的自燃。于是，在本实施例中，在内燃机1的内燃机负载比预定负载高的运转区域，为了抑制燃料产生急剧的自燃，替代上述的基本燃烧控制而进行高负载燃烧控制。以下基于图8对本实施例的高负载燃烧控制进行说明。图8是表示在从图的左侧向右侧行进的时间序列中高负载燃烧控制下的各燃料喷射以及点火的时间相关的图。
在高负载燃烧控制中，在一个燃烧循环中除了执行预喷射以及主喷射之外还通过燃料喷射阀6执行中间喷射。如图8所示，中间喷射在火花塞5对预喷雾进行点火后且主喷射正时Tm之前的中间喷射正时Tmid执行。在此，将中间喷射正时Tmid和主喷射正时Tm之间的间隔(Tm-Tmid)定义为第2喷射间隔Di2。在高负载燃烧控制中，主喷射正时Tm也与基本燃烧控制同样地，被设定为适当喷射正时。而且，第2喷射间隔Di2被设定为利用中间喷射而喷射出的燃料(以下称为“中间喷射燃料”)通过如下火焰传播而燃烧的那样的期间，所述火焰传播是以通过对预喷雾进行点火而产生的火焰Fr为起点的火焰传播。即，中间喷射燃料被提供给预燃烧。
此外，在高负载燃烧控制中，预喷射正时和点火正时之间的间隔(Ts-Tp)即点火间隔Ds也与基本燃烧控制同样地，被设定为能够进行预喷射燃料的喷雾引导燃烧。另外，在高负载燃烧控制中，预喷射正时和主喷射正时之间的间隔(Tm-Tp)即第1喷射间隔Di1也与基本燃烧控制同样地，被设定为使得主喷射燃料以通过对预喷雾进行点火而产生的火焰为起点开始燃烧。
基于图9对执行了上述那样的高负载燃烧控制的情况下的汽缸内的燃料和火焰的情形进行说明。在图9中，时间按照(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的顺序推移。另外，在图9中，FSp以及FSm与图7同样地，分别表示预喷雾以及主喷雾。而且，FSmid表示通过中间喷射形成的燃料喷雾(以下也有时称为“中间喷雾”。)。另外，E以及Fr与图7同样地，分别表示在燃料喷射后存在于燃料喷射阀6的周围的燃料以及通过预燃烧而产生的火焰。此外，在图9中，也为了方便起见，仅图示了8个从燃料喷射阀6喷射出的燃料喷雾。另外，在图9中，白色空心箭头也表示汽缸2内的涡流的流动方向。
图9的(b)与图7的(b)同样地，表示在预喷射正时通过燃料喷射阀6执行了预喷射时的情形。另外，图9的(c)与图7的(c)同样地，表示通过预喷射燃料燃烧而产生的火焰Fr正在燃料喷射阀6的周围传播的情形。而且，若在产生了该火焰传播的期间、且在主喷射正时之前的中间喷射正时通过燃料喷射阀6执行中间喷射，则如图9的(d)所示，向在假设没有执行该中间喷射的情况下可能成为火焰未产生区域的区域X′追加供给燃料(中间喷射燃料)。由此，区域X′中的空燃比低于没有在中间喷射正时执行中间喷射的情况下的区域X′中的空燃比。即，区域X′中的空燃比降低到燃料能够燃烧的程度。其结果，通过预燃烧而产生的火焰Fr也能够传播到区域X′。因此，如图9的(e)所示，也在区域X′产生火焰Fr。即，在开始执行主燃料喷射的时刻，在燃料喷射阀6的周围火焰Fr所存在的区域扩大。
这样，若执行中间喷射，则通过中间喷射燃料被提供给预燃烧，可抑制火焰未产生区域的产生。因此，如图9的(f)所示，在假设没有执行该中间喷射的情况下被供给到火焰未产生区域的主喷射燃料被供给至火焰Fr。由此，主喷射燃料在更广的区域以火焰Fr为起点开始燃烧。其结果，可抑制产生燃烧室内的一部分区域中的主喷射开始执行后的燃料的自燃的产生迟于其他区域中的主喷射开始执行后的燃料的自燃的产生这样的现象。
此外，在中间喷射中，只要向在假设没有执行该中间喷射的情况下可能成为火焰未产生区域的区域X′喷射能够形成火焰的程度的量的燃料即可。另外，若中间喷射燃料量过多，则有可能在执行主喷射之前产生燃料的自燃。因此，在本实施例中，如后述那样，中间喷射的燃料喷射量被设定为比在执行预喷射的所有运转区域中最少的预喷射的燃料喷射量少的量。由此，能够抑制在主喷射正时之前产生燃料的自燃。
因此，根据本实施例的高负载燃烧控制，通过执行中间喷射，能够抑制燃料产生急剧的自燃。其结果，能够抑制爆震、燃烧噪音的产生。
＜燃烧控制映射＞
在此，基于图10对在本实施例的燃烧控制中使用的控制映射进行说明。在图10的上段(a)中，内燃机1的内燃机负载和预喷射燃料量的相关用线L21表示，该内燃机负载和主喷射燃料量的相关用线L22表示，该内燃机负载和中间喷射燃料量的相关用线L23表示，该内燃机负载和负载对应喷射量的相关用线L20表示，所述负载对应喷射量是与该内燃机负载相对应的燃料喷射量。另外，在图10所示的控制映射中，运转区域被划分为4个运转区域R1、R2、R3、R4。而且，各个运转区域中的内燃机负载的关系为R1＜R2＜R3＜R4。
另外，在图10的(a)中，S1表示与成为运转区域R1(以下称为第1负载区域R1)和R2(以下称为第2负载区域R2)的分界的内燃机负载相对应的燃料喷射量(以下称为第1预定量S1)。另外，S2(>S1)表示与成为第2负载区域R2和运转区域R3(以下称为第3负载区域R3)的分界的内燃机负载相对应的燃料喷射量(以下称为第2预定量S2)。另外，S3(>S2)表示与成为第3负载区域R3和运转区域R4(以下称为第4负载区域R4)的分界的内燃机负载相对应的燃料喷射量(以下称为第3预定量S3)。而且，在本实施例中，在内燃机1的内燃机负载属于第1负载区域R1或第2负载区域R2的情况下，进行上述的基本燃烧控制，在内燃机1的内燃机负载属于第3负载区域R3或第4负载区域R4的情况下，进行上述的高负载燃烧控制。即，第3负载区域R3以及第4负载区域R4被设定为在预燃烧时产生了火焰未产生区域的情况下，在执行了主喷射时燃料产生急剧的自燃的可能性高的运转区域。因此，在本实施例中，成为第2负载区域R2和第3负载区域R3的分界的内燃机负载Qe0相当于本发明的“预定负载”。
另外，在图10的下段(b)中，内燃机1的内燃机负载和预喷射正时Tp的相关用线L31表示，该内燃机负载和点火正时Ts的相关用线L30表示，该内燃机负载和主喷射正时Tm的相关用线L32表示，该内燃机负载和中间喷射正时Tmid的相关用线L33表示。而且，线L31和线L32之间的间隔表示第1喷射间隔Di1，线L31和线L30之间的间隔表示点火间隔Ds，线L33和线L32之间的间隔表示第2喷射间隔Di2。此外，图10的(b)的纵轴表示以压缩行程上止点为基准的曲轴角(BTDC：Before Top Dead Center：上止点前)，其值越大则意味着压缩行程中越早的正时。
在此，对在第1负载区域R1以及第2负载区域R2用于实现基本燃烧控制的各控制参数的值进行说明。在第1负载区域R1中，如图10的(a)所示，预喷射燃料量Sp被设定为最小预喷射燃料量Spmin。在此，最小预喷射燃料量Spmin是在执行了主喷射时能够形成成为用于主喷射燃料开始燃烧的火种的火焰的预喷射燃料量的下限值。在此，若预喷射燃料量Sp变多，则容易促进通过火花塞5的点火进行的燃烧(即喷雾引导燃烧)，因此预喷射燃料中的燃剩率有可能降低，但通过将预喷射燃料量Sp设为最小预喷射燃料量Spmin，能够尽量提高其燃剩率。因此，在第1负载区域R1，通过将预喷射燃料量Sp设为最小预喷射燃料量Spmin，能够在确保稳定的燃烧的同时实现高的热效率。另外，第1负载区域R1的负载对应喷射量较少，因此，第1负载区域R1被设定为如下运转区域，该运转区域是即使通过仅使主喷射燃料量Sm增加来应对内燃机负载的增加，烟的产生量增加、或因主喷射燃料的汽化潜热而使燃烧变得不稳定的可能性也低的运转区域。因此，如图10的(a)所示，在第1负载区域R1，通过仅使主喷射燃料量Sm增加来应对内燃机负载的增加，预喷射燃料量Sp被固定为最小预喷射燃料量Spmin。
另外，为了提高内燃机1的热效率，主喷射正时Tm被设定为压缩行程上止点前的适当喷射正时。而且，在第1负载区域R1，相对于被设定为适当喷射正时的主喷射正时Tm以确保如下第1喷射间隔Di1的方式设定预喷射正时Tp，所述第1喷射间隔Di1是使得在预喷射燃料量Sp为最小预喷射燃料量Spmin的情况下成为热效率合适的状态的间隔。此外，如上述那样，在第1负载区域R1，预喷射燃料量Sp被固定为最小预喷射燃料量Spmin。因此，在第1负载区域R1，第1喷射间隔Di1也被维持为恒定。因此，如图10的(b)所示，在第1负载区域R1，在主喷射燃料量Sm因内燃机负载的增加而增加而随之使主喷射正时Tm提前了的情况下，也使预喷射正时Tp与该主喷射正时Tm的提前联动而提前。
另外，如图10的(b)所示，预喷射正时Tp和点火正时Ts之间的间隔即点火间隔Ds被维持为恒定。因此，在第1负载区域R1，在使预喷射正时Tp与主喷射正时Tm的增加联动而提前了的情况下，也使点火正时Ts与该预喷射正时Tp的提前联动而提前。
此外，第1负载区域R1，图10的(a)中用线L20表示的负载对应喷射量S0和主喷射燃料量Sm的相关按照以下的式2。
Sm＝S0-Sp×α···(式2)
α：预喷射燃料的燃剩率
如上所述，在本实施例的基本燃烧控制中，预喷射燃料的燃烧剩余与主喷射燃料一起通过被提供给自燃或扩散燃烧，从而贡献于内燃机输出。因此，若站在贡献于内燃机输出这样的观点看，可以说预喷射燃料的燃烧剩余与主喷射燃料等同。于是，预先通过实验等求出表示预喷射燃料的燃剩率的系数α，按照考虑了该系数α的上述式2算出主喷射燃料量Sm，由此能够决定适当的主喷射燃料量Sm。此外，预喷射燃料的燃剩率根据点火间隔Ds以及第1喷射间隔Di1而变化。因此，系数α是基于这些而决定的值。而且，在第1负载区域R1，点火间隔Ds以及第1喷射间隔Di1均恒定，因此上述式2中的系数α也为恒定值。另外，在第1负载区域R1，根据上述的理由，预喷射燃料量Sp被固定为最小预喷射燃料量Spmin，因此，在上述式2中Sp＝Spmin。另外，在相对于预喷射燃料量而言通过火花塞5的点火而燃烧的部分的燃料量(即通过预燃烧而燃烧的部分的燃料量)非常少的情况下，在控制上，也可以设为系数α＝1。
另外，第2负载区域R2被设定为如下运转区域，所述运转区域是在通过仅使主喷射燃料量Sm增加来应对内燃机负载的增加的情况下，烟的产生量增加、或因主喷射燃料的汽化潜热而使燃烧变得不稳定的可能性高的运转区域。因此，在第2负载区域R2，通过不仅增加主喷射燃料量Sm还增加预喷射燃料量Sp，来应对内燃机负载的增加。因此，在第2负载区域R2，如图10的(a)所示，内燃机1的内燃机负载越高，则预喷射燃料量Sp越增加。而且，在第2负载区域R2，如后述那样，随着预喷射燃料量Sp的增加而使预喷射正时Tp提前。由此，内燃机1的内燃机负载越高，则预喷射燃料的燃剩量越多。
另外，在第2负载区域R2，如图10的(a)的线L22所示，主喷射燃料量Sm也随着内燃机1的内燃机负载变高而增加。此外，在第2负载区域R2中，也与第1负载区域R1同样地，用线L20所示的负载对应喷射量S0和主喷射燃料量Sm的相关按照上述式2。另外，如上述，在第2负载区域R2，随着内燃机负载的上升，预喷射燃料量Sp增加。因此，如图10的(a)中的线L22所示，该第2负载区域R2中的主喷射燃料量Sm的增加比率(主喷射燃料量Sm的增加量相对于内燃机负载的上升量的比率)小于预喷射燃料量Sp被固定了的第1负载区域R1中的主喷射燃料量Sm的增加比率。由此，能够抑制因主喷射燃料量的增加而引起的烟的产生量的增加、因主喷射燃料的汽化潜热的增加而引起的不发火的产生。
另外，在第2负载区域R2，如图10的(b)所示，以内燃机1的内燃机负载越高则第1喷射间隔Di1越大的方式使预喷射正时Tp提前。即，在第2负载区域R2，使预喷射正时Tp提前与主喷射正时Tm的提前量联动而得到的提前量以上，内燃机负载越高则其提前量越大。通过如此控制预喷射正时Tp，从而即使预喷射燃料的燃剩量变多，也能够抑制预喷射燃料的燃烧剩余和主喷射燃料相重叠的部分的燃料浓度变高。其结果，能够抑制因这些燃料的重叠而引起的烟的产生量。
另外，如图10的(b)所示，在第2负载区域R2中，也与第1负载区域R1同样地，预喷射正时Tp和点火正时Ts之间的间隔即点火间隔Ds被维持为恒定。因此，在随着内燃机负载的上升而使预喷射正时Tp提前了与主喷射正时Tm的提前量联动而得到的提前量以上的情况下，使点火正时Ts也提前与预喷射正时Tp相同程度。
接着，对用于在第3负载区域R3以及第4负载区域R4实现高负载燃烧控制的各控制参数的值进行说明。首先，对这些运转区域中的、预喷射和主喷射的控制参数进行说明。与第2负载区域R2同样地，第3负载区域R3被设定为如下运转区域，所述运转区域是在通过仅使主喷射燃料量Sm增加来应对内燃机负载的增加的情况下，烟的产生量增加、或因主喷射燃料的汽化潜热而使燃烧变得不稳定的可能性高的运转区域。因此，在第3负载区域R3，如图10的(a)、(b)所示，针对内燃机负载的变动，预喷射燃料量Sp、主喷射燃料量Sm、预喷射正时Tp、主喷射正时Tm、点火正时Ts以与上述的第2负载区域R2中的倾向同样的倾向变动。即，在第3负载区域R3，随着内燃机负载的上升而使预喷射燃料量Sp以及主喷射燃料量Sm增加。而且，在内燃机1的内燃机负载是第3负载区域R3中的最大内燃机负载时，主喷射燃料量Sm成为最大主喷射燃料量Smmax。在此，最大主喷射燃料量Smmax是能够确保稳定的燃烧且能够抑制过多的烟的产生的主喷射燃料量的上限值。另外，与第2负载区域R2同样地，第3负载区域R3中的主喷射燃料量Sm的增加比率小于第1负载区域R1中的主喷射燃料量Sm的增加比率。另外，与第2负载区域R2同样地，在第3负载区域R3，以内燃机负载越高则第1喷射间隔Di1越大的方式使预喷射正时Tp提前。另外，通过内燃机负载越高则使点火正时Ts也越提前，点火间隔Ds被维持为恒定。
另外，第4负载区域R4被设定为如下运转区域，所述运转区域是从烟的产生量以及燃烧稳定性的观点考虑，难以通过主喷射燃料量Sm的增加来应对内燃机负载的增加的运转区域。因此，如图10的(a)所示，在第4负载区域R4，主喷射燃料量Sm被固定为最大主喷射燃料量Smmax，通过仅使预喷射燃料量Sp增加来应对内燃机负载的增加。此时，如图10的(a)中的线L21所示，第4负载区域R4中的预喷射燃料量Sp的增加比率大于第2负载区域R2以及第3负载区域R3中的预喷射燃料量Sp的增加比率。
此外，在第4负载区域R4，图10的(a)中用线L21表示的负载对应喷射量S0和预喷射燃料量Sp的相关按照以下的式3。
Sp＝(S0-Smmax)/α···(式3)
此外，α与式2相同，是预喷射燃料的燃剩率。另外，在处于第4负载区域R4的情况下，如上述那样，主喷射燃料量Sm被固定为最大主喷射燃料量Smmax。因此，通过按照上述式3算出预喷射燃料量Sp，能够决定适当的预喷射燃料量Sp。
另外，在第4负载区域R4，如图10的(b)所示，主喷射正时Tm被固定为与最大主喷射燃料量Smmax相对应的适当喷射正时。而且，在第4负载区域R4，预喷射燃料量Sp随着内燃机负载的增加而增加，因此，会再次担心由预喷射燃料的燃烧剩余和主喷射燃料的干涉引起的烟的产生。于是，在第4负载区域R4，如图10的(b)所示，根据预喷射燃料量Sp的增加而使预喷射正时Tp提前。即，以第1喷射间隔Di1根据内燃机负载的增加而扩大的方式设定预喷射正时Tp。此时，在第4负载区域R4中的预喷射燃料量Sp的增加比率大于第2负载区域R2以及第3负载区域R3中的预喷射燃料量Sp的增加比率，因此第4负载区域R4中的预喷射正时Tp的提前量的增加比率(预喷射正时Tp的提前量的增加相对于内燃机负载的上升量的比率)也大于第2负载区域R2以及第3负载区域R3的预喷射正时Tp的提前量的增加比率。由此，可谋求烟的产生量的抑制。
另外，在第4负载区域R4，如图10的(b)所示，使点火正时Ts也随着内燃机负载的增加而提前。但是，此时的点火正时Ts的提前量的增加比率小于预喷射正时Tp的提前量的增加比率。即，在第4负载区域R4，点火间隔Ds根据内燃机负载的增加而扩大。由此，能够更加提高预喷射燃料的燃剩率。即，能够更增加与主喷射燃料一起被提供给燃烧的预喷射燃料的燃剩量。如上所述，在第4负载区域R4，主喷射燃料量被固定为最大主喷射燃料量，但通过如此使预喷射燃料的燃剩量增加，能够在满足所要求的内燃机负载的同时将内燃机1的热效率维持为较佳。
接着，对第3负载区域R3以及第4负载区域R4中的中间喷射的控制参数进行说明。如图10的(a)中的线L23所示，在第3负载区域R3以及第4负载区域R4中，中间喷射燃料量Smid被固定为比最小预喷射燃料量Spmin少的恒定量。中间喷射燃料的燃烧不是以火花塞5的点火为起点来进行的，而是以通过预喷射燃料燃烧而已经产生的火焰为起点来进行的。因此，即使中间喷射燃料量Smid是比最小预喷射燃料量Spmin少的量，中间喷射燃料也能够通过火焰传播而燃烧。该中间喷射燃料量Smid被预先设定为能够在如下区域形成火焰的程度的量，所述区域是在假设没有执行该中间喷射的情况下可能成为火焰未产生区域的区域。
另外，在第3负载区域R3以及第4负载区域R4中，中间喷射燃料量Smid被固定为恒定量，因此，第2喷射间隔Di2也被维持为恒定。此时，相对于被设定为适当喷射正时的主喷射正时Tm以确保如下第2喷射间隔Di2的方式设定中间喷射正时Tmid，所述第2喷射间隔Di2是使得中间喷射燃料通过因对预喷雾进行点火产生的火焰的传播而燃烧的间隔。即，设定中间喷射正时Tmid，以使得中间喷射燃料通过火焰传播而燃烧，来在在主燃料喷射正时的燃料喷射阀6的周围扩大火焰所存在的区域。因此，如图10的(b)所示，在第3负载区域R3，在主喷射燃料量Sm因内燃机负载的增加而增加，使主喷射正时Tm随之提前了的情况下，也使中间喷射正时Tmid与该主喷射正时Tm的提前联动而提前。另外，在第4负载区域R4，主喷射正时Tm被固定为恒定的正时，因此中间喷射正时Tmid也被固定为恒定的正时。
另外，在本实施例中，以中间喷射燃料的大部分通过因预燃烧产生的火焰的传播而燃烧的方式设定中间喷射燃料量Smid以及中间喷射正时Tmid。因此，中间喷射燃料被作为不贡献于内燃机1的输出的燃料对待。因此，在上述式2以及式3中，未考虑中间喷射燃料量。不过，也可以认为，即使预燃烧的参数相同，在执行中间喷射的情况下和不执行中间喷射的情况下，预喷射燃料的燃剩率也为不同的值。在这样的情况下，在第3负载区域R3以及第4负载区域R4中，基于执行中间喷射的情况下的预喷射燃料的燃剩率来决定预喷射燃料量Sp以及主喷射燃料量Sm。
此外，在第3负载区域R3以及第4负载区域R4中的任一个区域中，中间喷射燃料量Smid都少于最小预喷射燃料量Spmin，因此，即使中间喷射燃料在主喷射正时之前被提供给了通过火焰传播进行的燃烧，妨碍内燃机1的内燃机输出的那样的作用也小。
＜燃烧控制流程＞
在此，基于图11对本实施例的燃烧控制的控制流程进行说明。图11是表示本实施例的燃烧控制的控制流程的流程图。该控制流程预先存储在ECU20中，在内燃机1运转期间执行存储于ECU20的控制程序，以这样的方式按预定的间隔反复执行。
在本实施例的控制流程中，首先，在S101中，基于加速器位置传感器22的检测值算出内燃机1的内燃机负载Qe。另外，作为另一方法，也可以基于在进气通路70流动的空气流量即空气流量计72的检测值、进气通路70内的进气压力，来算出内燃机1的内燃机负载。接着，在S102中，基于在S101中算出的内燃机负载Qe算出负载对应喷射量S0。具体而言，利用在图10的(a)中用线L20所示的控制映射，算出与内燃机负载Qe相对应的负载对应喷射量S0。此外，在本实施例中，如线L20所示，以随着内燃机负载增加而使负载对应喷射量S0变大的方式，将两者的相关记录在控制映射上。
接着，在S103中，对在S102中算出的负载对应喷射量S0是否为第2预定量S2以下进行判别。即，在S103中，对内燃机1的内燃机负载Qe是属于第1负载区域R1或第2负载区域R2、还是属于第3负载区域R3或第4负载区域R4进行判别。在S103中判定为是的情况下，即在内燃机1的内燃机负载Qe属于第1负载区域R1或第2负载区域R2的情况下，应该执行基本燃烧控制，从而接着执行S104的处理。
在S104中，使用图10所示的控制映射来决定用于实现基本燃烧控制的、预喷射燃料量Sp、主喷射燃料量Sm、预喷射正时Tp、主喷射正时Tm、以及点火正时Ts。接着，在S105中，按照在S104中决定的预喷射燃料量Sp、主喷射燃料量Sm、预喷射正时Tp、主喷射正时Tm、以及点火正时Ts，通过燃料喷射阀6执行预喷射及主喷射、火花塞5的点火。由此，可实现本实施例的基本燃烧控制。
另一方面，在S103中判定为否的情况下，即在内燃机1的内燃机负载Qe属于第3负载区域R3或第4负载区域R4的情况下，应该执行高负载燃烧控制，从而接着执行S106的处理。
在S106中，使用图10所示的控制映射来决定用于实现高负载燃烧控制的、预喷射燃料量Sp、中间喷射燃料量Smid、主喷射燃料量Sm、预喷射正时Tp、中间喷射正时Tmid、主喷射正时Tm、点火正时Ts。接着，在S107中，按照在S106中决定的预喷射燃料量Sp、中间喷射燃料量Smid、主喷射燃料量Sm、预喷射正时Tp、中间喷射正时Tmid、主喷射正时Tm、点火正时Ts，通过燃料喷射阀6执行预喷射、中间喷射及主喷射、火花塞5的点火。由此，可实现本实施例的高负载燃烧控制。
此外，图10所示的控制映射终归是在本实施例的燃烧控制中所使用的控制映射的一例，内燃机1的内燃机负载和基本燃烧控制及高负载燃烧控制中的各控制参数的相关并不限于该图10所示的例子。
另外，在上述高负载燃烧控制中，无论内燃机1的内燃机负载如何，都将中间喷射燃料量固定为比最小预喷射燃料量Spmin少的恒定量。然而，也可以根据内燃机1的内燃机负载而使中间喷射燃料量变动。例如，也可以根据内燃机负载的增加而使中间喷射燃料量增加。但是，如上所述，若中间喷射燃料量过多，则有可能在执行主喷射之前产生燃料的自燃。因此，在根据内燃机负载的增加而使中间喷射燃料量增加的那样的情况下，也将中间喷射燃料量设为比同一燃烧循环中的预喷射燃料量少的量。由此，能够尽量地抑制在主喷射正时之前产生燃料的自燃。
另外，在高负载燃烧控制中，也可以将中间喷射燃料量以及中间喷射正时控制成使得中间喷射燃料的一部分不被提供给通过火焰传播进行的燃烧而成为燃烧剩余。在该情况下，中间喷射燃料的燃烧剩余与预喷射燃料的燃烧剩余同样地，在主喷射执行开始后通过自燃或扩散燃烧而燃烧。即，中间喷射燃料的燃烧剩余贡献于内燃机1的内燃机输出。因此，在将中间喷射燃料量以及中间喷射正时控制成使得产生中间喷射燃料的燃烧剩余的情况下，需要使主喷射燃料量减少与该燃剩量这部分相当的量。在该情况下，负载对应喷射量S0和主喷射燃料量Sm的相关成为如以下的式4那样。
Sm＝S0-(Sp×α+Smid×β)···(式4)
α：预喷射燃料的燃剩率
β：中间喷射燃料的燃剩率
另外，在本实施例中，仅在第3负载区域R3以及第4负载区域R4中执行了中间喷射。然而，执行中间喷射的运转区域未必限于这些运转区域。例如也可以是，也在第1负载区域R1或第2负载区域R2中执行中间喷射。
另外，在汽缸内形成滚流(tumble flow)的内燃机、没有形成如涡流或滚流那样的回转流的内燃机，也有可能在预燃烧时产生火焰未产生区域。因此，应用本发明的内燃机并不限于构成为在汽缸内形成涡流的内燃机。
＜变形例＞
在如上所述那样，在一个燃烧循环中，在除了执行预喷射以及主喷射之外还执行中间喷射的情况下，需要在中间喷射执行后且主喷射执行前抑制燃料发生自燃。于是，可以将高负载燃烧控制中的中间喷射燃料量设定为下述燃料喷射量的下限值少的量，所述燃料喷射量是比使用Livengood-Wu积分算式算出的、在中间喷射执行后且主喷射正时之前会产生燃料的自燃的燃料喷射量。
Livengood-Wu积分算式表示为下述式5那样。
τ：发火延迟期间
A：频率因子
n：反应次数
E：活性能量
R：通用气体常数
P：汽缸内的压力
T：汽缸内的温度
而且，通常知晓在下述式6成立时产生燃料的自燃。
t：从燃料喷射的执行开始时刻起的经过时间
另外，频率因子A可以由下述式7表示。
A＝a×Fb···式(7)
a、b＝常数
F＝当量比(＝理论空燃比/汽缸内的空燃比)
中间喷射正时的汽缸2内的压力P以及温度T根据内燃机1的运转状态而不同，但这些值能够基于实验等来推定。因此，根据中间喷射正时的汽缸2内的压力P、温度T的推定值以及上述式(5)～(7)，能够算出上述式(6)成立时的当量比F。另外，汽缸2内的空气量根据内燃机1的运转状态而不同，但该值也能够基于实验等来推定。而且，根据上述式(6)成立时的当量比F和汽缸2内的空气量的推定值，能够算出上述式(6)成立时的燃料喷射量即在中间喷射执行后且主喷射正时之前会产生燃料的自燃的燃料喷射量的下限值。
而且，通过将中间喷射燃料量设定为比如上述那样算出的在中间喷射执行后且主喷射正时之前会产生燃料的自燃的燃料喷射量的下限值少的量，能够以更高的概率抑制在中间喷射执行后且主喷射执行之前产生燃料的自燃。
附图标记说明
1···内燃机
2···汽缸
3···活塞
5···火花塞
6···燃料喷射阀
7···进气口
8···排气口
9···进气门
10···排气门
20···ECU
21 曲轴位置传感器
22 加速器位置传感器
71 节气门
72 空气流量计

Claims (5)

1.一种内燃机的控制装置，具备：
燃料喷射阀，其从内燃机中的燃烧室的中央附近的位置放射状喷射燃料；
点火装置，其相对于所述燃料喷射阀的相对位置被确定为使得从该燃料喷射阀喷射出的燃料喷雾的一部分通过可点火区域并能够对该燃料喷雾直接点火；以及
燃烧控制单元，其在压缩行程中的预喷射正时执行所述燃料喷射阀的预喷射，并且由所述点火装置对通过该预喷射形成的燃料喷雾即预喷雾进行点火，进而，在主喷射正时开始执行所述燃料喷射阀的主喷射，由此产生燃料的自燃并且至少使通过所述主喷射而喷射出的燃料的一部分扩散燃烧，所述主喷射正时是由所述点火装置对所述预喷雾点火之后且压缩行程上止点前的正时，且所述主喷射正时被设定为使得喷射燃料以通过对所述预喷雾点火而产生的火焰为起点开始燃烧，
至少在内燃机的一部分运转区域，所述燃烧控制单元，在一个燃烧循环中除了执行所述预喷射和所述主喷射以外还在中间喷射正时执行由所述燃料喷射阀喷射比同一个燃烧循环中的所述预喷射的燃料喷射量少的燃料的中间喷射，并通过下述的火焰传播使通过该中间喷射而喷射出的燃料燃烧，所述火焰传播是以通过对所述预喷雾点火而产生的火焰为起点的火焰传播，所述中间喷射正时是由所述点火装置对所述预喷雾点火之后且所述主喷射正时之前的正时，
所述一部分运转区域是内燃机的内燃机负载比预定负载高的运转区域，
在内燃机的内燃机负载为所述预定负载以下的运转区域，所述燃烧控制单元在一个燃烧循环中执行所述预喷射和所述主喷射，
在内燃机的内燃机负载比所述预定负载高的运转区域，所述燃烧控制单元在一个燃烧循环中除了执行所述预喷射和所述主喷射以外还执行所述中间喷射。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，
所述中间喷射的燃料喷射量比在执行所述预喷射的所有运转区域中最少的所述预喷射的燃料喷射量少。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，
所述中间喷射的燃料喷射量是比下述燃料喷射量的下限值少的量，该燃料喷射量是基于所述中间喷射正时的汽缸内的空气量、压力以及温度并使用Livengood-Wu积分算式算出的、在所述中间喷射执行后且所述主喷射正时之前会产生燃料的自燃的燃料喷射量。
4.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，
将所述中间喷射的燃料喷射量以及所述中间喷射正时控制成使得通过所述中间喷射而喷射出的燃料的一部分不被提供给通过所述火焰传播进行的燃烧而成为燃烧剩余。
5.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，
在内燃机的内燃机负载超过了预先设定的阈值的情况下，将所述主喷射的燃料喷射量固定为恒定，随着内燃机负载的增加，使所述预喷射的燃料喷射量增加，并且使所述预喷射正时和所述点火装置的点火正时提前、且使所述点火装置的点火正时的提前量相对于内燃机负载的增加量的增加比率比所述预喷射正时的提前量相对于内燃机负载的增加量的增加比率小，所述预先设定的阈值是比所述预定负载高的阈值。
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