本發(fā)明涉及具備向燃燒室內直接噴射燃料的噴射器的直噴式內燃機，尤其涉及利用噴射器在一個燃燒循環(huán)中進行三次燃料噴射的直噴式內燃機。

背景技術：

在日本特開2007-177731號公報(特開‘731)中示出當處于高負載運轉區(qū)域時在一個燃燒循環(huán)中進行三次由噴射器執(zhí)行的燃料噴射的直噴式內燃機。具體而言，三次燃料噴射均在進氣沖程中執(zhí)行，第一次噴射在進氣沖程開始上止點(以下僅稱作“上止點”)后0至60度的范圍內執(zhí)行，第二次噴射在上止點后60度至140度的范圍內執(zhí)行，第三次噴射在上止點后140度至180度的范圍內執(zhí)行。

在進氣沖程內供應一次燃料噴射所需要的所有燃料量的情況下，由于煙霧、未燃燒氣體的増加量大，因此在特開‘731所示的直噴式內燃機中分為三次進行燃料噴射。但是，由于第一次噴射在進氣沖程的前半段執(zhí)行，在內燃機的溫度低的狀態(tài)(完成暖機前)下，灰煙(煙霧)的產生量比較多，要求進一步減少灰煙的產生量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明著眼于這一點，目的在于提供能進一步減少完成暖機前的灰煙的產生量的直噴式內燃機。

用于解決課題的手段

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種直噴式內燃機，該直噴式內燃機具備向燃燒室1a內直接噴射燃料的噴射器6，當所述內燃機的溫度tw在規(guī)定溫度twth以下時，在所述內燃機的一個燃燒循環(huán)中執(zhí)行第1燃料噴射inj1、第2燃料噴射inj2以及第3燃料噴射inj3，在進氣沖程開始的上止點之后160度至200度的下止點附近范圍內完成所述第2燃料噴射inj2，在設定成比所述下止點附近范圍靠提前側的范圍內執(zhí)行所述第1燃料噴射inj1，在設定成比所述下止點附近范圍靠滯后側的范圍內執(zhí)行所述第3燃料噴射inj3，在所述上止點之后90度至270度的范圍內完成所述第1燃料噴射inj1及第3燃料噴射inj3。

能夠使用例如內燃機的冷卻水溫度或潤滑油溫度作為表示內燃機的溫度的參數(shù)。

根據(jù)該結構，在以下止點附近范圍為中心的、從進氣沖程的后半段至壓縮沖程的前半段的范圍內分三次執(zhí)行燃料噴射，因此在內燃機的溫度低的狀態(tài)下，能夠使燃燒室內的混合氣的空燃比均勻度提高，確保燃燒穩(wěn)定性，并且使噴射的燃料向活塞頂面附著的量減少，從而減少灰煙的產生量。

優(yōu)選地，使得所述第1燃料噴射inj1與所述第2燃料噴射inj2之間的角度間隔、以及所述第2燃料噴射inj2與所述第3燃料噴射inj3之間的角度間隔隨著所述內燃機的轉速ne提高而増大。

根據(jù)該結構，內燃機轉速越高，執(zhí)行第1～第3燃料噴射的角度間隔越増大，因此能夠在控制噴射器的控制裝置的動作特性上的制約范圍內盡可能在下止點附近完成燃料噴射。其結果是，能夠抑制燃料向活塞頂面附著，減少灰煙的產生量。

優(yōu)選地，在所述燃燒室1a與進氣口2a之間具備進氣門7，經(jīng)由該進氣門流入所述燃燒室內的進氣導致所述燃燒室內生成滾流，所述噴射器6配置在所述進氣門7的附近，以向所述燃燒室內的斜下方噴射燃料，所述內燃機的溫度tw越高，所述第1～第3燃料噴射的執(zhí)行正時越提前。

在燃燒室內生成滾流的內燃機中，在進氣沖程后半段至壓縮沖程前半段的范圍內強烈產生滾流的上升氣流，噴射的一部分燃料(特別是在第3燃料噴射中噴射的燃料)被上升氣流上推，從而附著于噴射器的安裝部附近的壁面的可能性高。另一方面，內燃機的溫度上升時，附著于活塞頂面的燃料引起的灰煙的產生量減少。因此，內燃機的溫度越高，使第1～第3燃料噴射的執(zhí)行正時越提前，由此能夠同時抑制附著在活塞頂面的燃料引起的灰煙的產生、及滾流導致燃料附著于壁面而引起的灰煙的產生。

附圖說明

圖1是示出本發(fā)明的一實施方式的直噴式內燃機及其控制裝置的結構的圖。

圖2是示意性示出圖1所示的內燃機的一個氣缸的結構的圖。

圖3是用于說明如何設定一個燃燒循環(huán)中的燃料噴射次數(shù)的圖。

圖4是用于說明執(zhí)行三分段噴射的正時的圖。

圖5是用于說明執(zhí)行三分段噴射的效果的圖。

圖6是示出在內燃機完成暖機后執(zhí)行了三分段噴射的情況下的燃料噴射執(zhí)行正時(cai1st)與灰煙產生量(pm)之間的關系的圖。

圖7是示出噴射的燃料的最大到達距離(dstmax)與經(jīng)噴射而霧化的燃料的直徑(df)之間的關系的圖。

具體實施方式

以下參照附圖說明本發(fā)明的實施方式。

圖1是示出本發(fā)明的一實施方式的直噴式內燃機(以下稱作“發(fā)動機”)及其控制裝置的結構的圖，圖2是示意性示出圖1所示的發(fā)動機1的一個氣缸的結構的圖。發(fā)動機1中連接有進氣通道2，在進氣通道2的途中配置有節(jié)氣門3。發(fā)動機1例如具有四氣缸，各氣缸中設有活塞9。從進氣通道2分支的進氣口2a向各氣缸的燃燒室1a開口，在進氣口2a與燃燒室1a之間設有進氣門7。發(fā)動機1構成為：經(jīng)由進氣門7流入燃燒室1a內的進氣使得燃燒室1a內生成滾流fa。

在發(fā)動機1的各氣缸的進氣門7的附近設有向燃燒室1a內直接噴射燃料的噴射器6，噴射器6配置成向燃燒室1a內的斜下方噴射燃料。噴射器6的動作由ecu5控制。此外在發(fā)動機1的各氣缸上安裝有火花塞8，由ecu5控制火花塞8的點火正時。

ecu5上連接有：檢測發(fā)動機1的吸入空氣流量gair的吸入空氣流量傳感器21、檢測進氣溫度ta的進氣溫度傳感器22、檢測節(jié)氣門開度th的節(jié)氣門開度傳感器23、進氣壓力pba的進氣壓力傳感器24、檢測發(fā)動機冷卻水溫tw的冷卻水溫傳感器25、以及未圖示的其他傳感器(例如被發(fā)動機1驅動的檢測車輛的油門踏板操作量ap的油門傳感器、車速傳感器等)，這些傳感器的檢測信號被供應至ecu5。

ecu5上連接有檢測發(fā)動機1的曲軸(未圖示)的旋轉角度的曲軸角位置傳感器26，與曲軸的旋轉角度相應的脈沖信號被供應至ecu5。曲軸角位置傳感器26輸出表示曲軸角位置的多個脈沖信號，該脈沖信號用于燃料噴射正時、點火正時等各種時機控制、及發(fā)動機轉速ne的檢測。

排氣通道10中設有用于廢氣凈化的三元催化器11。在三元催化器11的上游側且比與各氣缸連通的廢氣歧管的集合部靠下游的一側安裝有比例式氧濃度傳感器27(以下稱作“l(fā)af傳感器27”)，該laf傳感器27輸出與廢氣中的氧濃度(空燃比af)幾乎成正比的檢測信號，并供應至ecu5。

ecu5由以下部分構成：具有對來自各種傳感器的輸入信號波形進行整形、將電壓電平修正為規(guī)定的電平、將模擬信號值轉換為數(shù)字信號值等功能的輸入電路、中央運算處理單元(cpu)、存儲該cpu所執(zhí)行的各種運算程序及運算結果等的存儲電路、將驅動信號供應至噴射器6、火花塞8等的輸出電路等。

噴射器6的燃料噴射量是通過使用與由laf傳感器27檢測的空燃比af相應的空燃比校正系數(shù)kaf校正根據(jù)吸入空氣流量gair計算出的基本燃料量來控制的。計算空燃比校正系數(shù)kaf，使得檢測的空燃比af與目標空燃比afcmd一致。

圖3是用于說明如何設定本實施方式的各氣缸中的一個燃燒循環(huán)中的燃料噴射次數(shù)ninj的圖，示出由發(fā)動機轉速ne及發(fā)動機負載參數(shù)ld定義的發(fā)動機運轉區(qū)域。圖3的(a)與發(fā)動機1完成暖機前且發(fā)動機冷卻水溫tw比規(guī)定溫度twth(例如60℃度)低的發(fā)動機運轉狀態(tài)對應，圖3的(b)與發(fā)動機1完成暖機后(tw≧75℃)的發(fā)動機運轉狀態(tài)對應。例如使用吸入空氣流量gair或進氣壓力pba作為發(fā)動機負載參數(shù)ld。

當發(fā)動機1的溫度低時，在區(qū)域r3中燃料噴射次數(shù)ninj設定為“3”，在區(qū)域r2內燃料噴射次數(shù)ninj設定為“2”，在區(qū)域r1內燃料噴射次數(shù)ninj設定為“1”。圖3的(a)所示的區(qū)域r3是如下的低旋轉高負載區(qū)域：發(fā)動機轉速ne位于相當于怠速轉速的第1轉速ne1以上且低于第2轉速ne2的范圍，并且發(fā)動機負載參數(shù)ld位于第2邊界負載ld2以上且最大負載ldmax以下的范圍。區(qū)域r2由低旋轉中負載區(qū)域和中旋轉高負載區(qū)域構成，在所述低旋轉中負載區(qū)域內，發(fā)動機轉速ne位于在第1轉速ne1以上且低于第2轉速ne2的范圍，并且發(fā)動機負載參數(shù)ld位于在第1邊界負載ld1以上且小于第2邊界負載ld2的范圍，在所述中旋轉高負載區(qū)域內，發(fā)動機轉速ne位于在第2轉速ne2以上且第3轉速ne3以下的范圍，并且發(fā)動機負載參數(shù)ld位于在第1邊界負載ld1以上且最大負載ldmax以下的范圍。區(qū)域r1由區(qū)域r2及r3以外的低負載區(qū)域及高旋轉區(qū)域構成。圖3所示的nemax為最大轉速。

發(fā)動機1完成暖機后，在圖3的(b)所示的區(qū)域r13、r12、及r11中，燃料噴射次數(shù)ninj分別設定為“3”、“2”、及“1”。區(qū)域r13是如下的低旋轉高負載區(qū)域：發(fā)動機轉速ne位于在第1轉速ne1以上且低于第2轉速ne2的范圍，并且發(fā)動機負載參數(shù)ld位于在第4邊界負載ld4以上且最大負載ldmax以下的范圍。區(qū)域r12是如下的中旋轉中負載區(qū)域：發(fā)動機轉速ne位于在第1轉速ne1以上且低于第2轉速ne2的范圍，并且發(fā)動機負載參數(shù)ld位于在第3邊界負載ld3以上且小于第4邊界負載ld4的范圍。另外，第3及第4邊界負載ld3、ld4設定成在從第4轉速ne4至第5轉速ne5的范圍內逐漸増大。區(qū)域r11由區(qū)域r12及r13以外的低負載區(qū)域及中高旋轉區(qū)域構成。

另外，各邊界負載ld1～ld4設定成滿足ld1<ld3、ld2<ld4的關系。

如圖3的(a)所示，在本實施方式中，發(fā)動機1低溫時(完成暖機前)，在低旋轉高負載運轉區(qū)域r3內執(zhí)行將燃料噴射次數(shù)ninj設為“3”的三分段噴射。如圖4所示，使第2噴射inj2在進氣沖程開始上止點后曲軸角160度至200度的范圍(以下的說明中角度范圍均是曲軸角范圍的意思)的進氣沖程結束下止點附近范圍(以下稱作“下止點附近范圍”)內完成，在設定成比下止點附近范圍靠提前側及滯后側的范圍內分別執(zhí)行第1噴射及第3噴射，并在進氣沖程開始上止點后90度至270度的范圍內完成。另外，設定成比下止點附近范圍靠提前側，并且在相對于第2噴射inj2的執(zhí)行正時cai2nd的提前側30度至50度的范圍內執(zhí)行第1噴射inj1，設定成比下止點附近范圍靠滯后側，并且在相對于第2噴射inj2的執(zhí)行正時cai2nd的滯后側30度至50度的范圍內執(zhí)行第3噴射inj3。另外，圖4所示的“atdc”是“進氣沖程開始上止點后”的意思。

此外第1～第3燃料噴射inj1、inj2、inj3的各燃料噴射量設定成根據(jù)發(fā)動機1的運轉狀態(tài)計算的要求燃料量的1/3的值、即均等分配后的燃料量。

如上所述，參照圖5，說明發(fā)動機1低溫時在區(qū)域r3內執(zhí)行三分段噴射的效果。圖5中“○”表示執(zhí)行燃料噴射次數(shù)ninj為“1”的燃料噴射(以下稱作“單一噴射”)時的數(shù)據(jù)，“■”表示執(zhí)行上述三分段噴射時的數(shù)據(jù)。此外橫軸的cai1st表示單一噴射時的一次的燃料噴射執(zhí)行正時，在三分段噴射時表示第1噴射inj1的執(zhí)行時刻。以下，三分段噴射的燃料噴射執(zhí)行正時由“第1噴射正時cai1st”代表。橫軸的角度是進氣沖程開始上止點后的角度。另外，圖5及圖6所示的三分段噴射的相關數(shù)據(jù)是在第1噴射正時cai1st執(zhí)行第1噴射inj1、在第1噴射正時cai1st的40度后執(zhí)行第2噴射inj2、在第2噴射inj2的執(zhí)行正時起40度后執(zhí)行第3噴射inj3而得的數(shù)據(jù)。

圖5的(a)示出被發(fā)動機1驅動的車輛行駛一定距離時排出的灰煙的量(以下僅稱作“灰煙量”)pm與燃料噴射執(zhí)行正時之間的關系。根據(jù)該圖可以確認，進氣沖程中燃料噴射正時越滯后，灰煙量pm越減少，并且與單一噴射相比，三分段噴射的灰煙量pm較少。

圖5的(b)示出圖示平均有效壓力imep的變動率(以下稱作“燃燒變動率”)imepcr與燃料噴射執(zhí)行正時之間的關系。根據(jù)該圖可以確認，進氣沖程中燃料噴射正時越滯后，燃燒變動率imepcr越増大，并且與單一噴射相比，三分段噴射的燃燒變動率imepcr較小。燃燒變動率imepcr較小意味著燃燒室1a內的混合氣的空燃比均勻度比單一噴射提高，燃燒穩(wěn)定性改善。

圖5的(c)示出噴射的燃料的油稀釋(潤滑油的稀釋)的程度(以下稱作“油稀釋程度”)dil與燃料噴射執(zhí)行正時的關系。根據(jù)該圖可以確認，單一噴射中，在進氣沖程中燃料噴射正時越滯后，油稀釋程度dil越顯著増大，與此相對在三分段噴射中，油稀釋程度dil與單一噴射相比顯著下降，并且即使改變燃料噴射執(zhí)行正時，油稀釋程度dil也幾乎不變化。

即，通過進行上述的三分段噴射，能夠抑制燃燒變動率imepcr的増大及油稀釋程度dil的増大，并使灰煙量pm減少。

上述三分段噴射執(zhí)行正時的角度范圍是為了在發(fā)動機1完成暖機前(發(fā)動機1的冷卻水溫tw低于規(guī)定溫度twth時)主要抑制灰煙量pm而設定的，在第1噴射inj1的執(zhí)行正時被設定成比90度靠提前側的情況下、及在第3噴射inj3的執(zhí)行正時被設定成比270度靠滯后側的情況下均為燃料向活塞頂面的附著量増加，灰煙量pm的抑制不充分。此外，優(yōu)選三分段噴射的執(zhí)行間隔盡可能縮短，但設定為30度至50度的間隔范圍是基于與發(fā)動機轉速ne對應的ecu5的動作特性上的制約，在該間隔范圍內，通過使噴射角度間隔隨著發(fā)動機轉速ne提高而増大，能夠在ecu5的動作特性上的制約范圍內盡可能在下止點附近完成燃料噴射。其結果是能夠抑制燃料向活塞頂面附著，減少灰煙量pm。此外在發(fā)動機1完成暖機后也同樣地盡可能縮短分段噴射的執(zhí)行間隔，由此能夠在滾流fa的上升氣流引起燃料發(fā)生上推前完成燃料噴射。

圖6是示出發(fā)動機1完成暖機后在圖3的(b)所示的區(qū)域r13內執(zhí)行三分段噴射時的第1噴射正時cai1st與灰煙量pm之間的關系的圖，與圖5的(a)的特性不同，當?shù)?噴射正時cai1st在上止點后80度左右時，灰煙量pm為最小。

根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究，確認了這是因為發(fā)動機1的溫度低時附著于活塞的頂面(劃分燃燒室1a的面)的燃料為產生灰煙的主要因素，在活塞位于最遠離噴射器6的位置、即下止點附近范圍內執(zhí)行燃料噴射，從而活塞頂面的燃料附著量減少，能夠使灰煙量pm最小。另一方面確認，當暖機完成、發(fā)動機1的溫度上升時，附著于活塞頂面的燃料引起的灰煙的產生量減少，燃燒室內產生的滾流的上升氣流使得噴射的一部分燃料返回附著在噴射器6的附近，該附著燃料使得灰煙的產生量増加。因此，優(yōu)選如圖6的(b)所示那樣，根據(jù)發(fā)動機1的溫度、具體而言為檢測的發(fā)動機冷卻水溫tw，使第1噴射正時cai1st提前。發(fā)動機冷卻水溫tw越高，越使第1噴射正時cai1st提前，由此使?jié)L流的上升氣流增強的壓縮沖程的前半段的燃料噴射量減少，能夠減少附著于噴射器6的附近的燃料量，抑制灰煙量pm。如圖6的(a)所示那樣，如果使第1噴射正時cai1st比上止點后80度提前，則灰煙量pm増加，因此將完成暖機后的第1噴射正時cai1st的下限值(提前臨界值)設為80度。

圖7示出在執(zhí)行三分段噴射的情況下，噴射的燃料的最大到達距離dstmax與經(jīng)噴射而霧化的燃料的直徑(以下稱作“粒徑”)df的關系。當供應至噴射器6的燃料的壓力、即燃壓pf為第1燃壓pf1時，粒徑df為第1值df1，如果將燃壓pf設為第1燃壓pf1的2倍、即第2燃壓pf2，則最大到達距離dstmax幾乎不變化，但粒徑df減小至第2值df2(比第1值df1小20％左右的值)。因此，通過提高燃壓pf，能夠進一步霧化噴射的燃料，并且提高燃燒穩(wěn)定性，同時減少灰煙量pm。

如上所述在本實施方式中，在以下止點附近范圍為中心的、從進氣沖程的后半段至壓縮沖程的前半段的范圍內分三次執(zhí)行燃料噴射，因此在發(fā)動機1的溫度低的狀態(tài)下，能夠使燃燒室1a內的混合氣的空燃比均勻度提高，確保燃燒穩(wěn)定性，并且使噴射的燃料向活塞頂面附著的量減少，從而減少灰煙的產生量。

此外分成三次的燃料噴射的、以曲軸角表示的執(zhí)行間隔被控制成發(fā)動機轉速ne越高越増加，因此能夠在控制噴射器6的ecu5的動作特性上的制約范圍內盡可能在下止點附近完成燃料噴射。其結果是，能夠抑制燃料向活塞頂面附著，減少灰煙的產生量。此外在發(fā)動機1完成暖機后也同樣地盡可能縮短分段噴射的執(zhí)行間隔，由此能夠在滾流fa的上升氣流引起燃料發(fā)生上推前完成燃料噴射。

此外由于在發(fā)動機1中在燃燒室1a內生成比較強的滾流，因此在進氣沖程后半段至壓縮沖程前半段的范圍內，強烈產生滾流的上升氣流，噴射的一部分燃料(第3噴射inj3中噴射的燃料)被上升氣流上推，從而附著于噴射器6的安裝部附近的壁面的可能性高。另一方面，發(fā)動機1的溫度上升時，附著于活塞頂面的燃料引起的灰煙的產生量減少。因此，通過使第1～第3燃料噴射的執(zhí)行正時與發(fā)動機1的溫度的上升對應地提前，能夠同時抑制附著在活塞頂面的燃料引起的灰煙的產生、及燃料附著于壁面而引起的灰煙的產生。

并且，本發(fā)明并不限于上述的實施方式，能夠進行各種變形。例如，上述實施方式中示出四氣缸的直噴式內燃機，但本發(fā)明無論氣缸數(shù)多少均適用。