CN100482932C - 柴油发动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种控制装置，用于控制喷射到柴油发动机的缸内的燃料的喷射量和喷射时期，在该控制装置中设定通常喷射模式和预混合喷射模式的两个控制模式，所述通常喷射模式控制喷射量与喷射时期，以使喷射的燃料在其喷射期间内在压缩上死点附近着火；所述预混合喷射模式控制喷射量与喷射时期，以使得燃料喷射在压缩上死点前结束、并且其喷射的燃料经过预混合期间在压缩上死点附近着火；预先独立地设定该各控制模式中的控制参数(先导喷射时期等)的目标值；设有变更单元，用于在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，使一个控制模式的目标值(V1)逐渐变更为另一个控制模式的目标值(V2)。

Description

柴油发动机的控制装置

技术领域

本发明涉及一种柴油发动机的控制装置，特别涉及执行对通常的扩散燃烧和预混合压缩着火燃烧进行切换的控制的柴油发动机的控制装置。

背景技术

在将燃料直接喷射到缸内的柴油发动机中，一般在缸内成为高温、高压的活塞的压缩上死点附近喷射燃料。在此情况下，在燃料的喷射中开始着火而形成火焰，并通过对该火焰供给后续的燃料来继续燃烧。这样，在燃料的喷射中开始着火的燃烧方式一般被称作扩散燃烧(以下也称作通常燃烧)，但在该扩散燃烧中被指出对于NOx及烟等的降低有限度的问题。

所以，近年提出一种实现被称作预混合压缩着火燃烧(以下也称作预混合燃烧)的燃烧方式的技术，该燃烧方式使燃料的喷射或供给时间比活塞的压缩上死点提前、在燃料的供给结束后预混合气着火(参照专利文献1、2)。

在预混合燃烧中，由于在燃料的喷射结束后经过一定程度的期间(预混合期间)预混合气着火，所以在着火之前预混合气被充分地稀薄、均匀化。因而，局部的燃烧温度下降、NOx排出量降低，并且由于也避免了空气不足状态下的燃烧，所以也抑制了烟的产生。

专利文献1：特开平11—324764号公报

专利文献2：特开2003—286880号公报

然而，预混合燃烧是确保了均匀的稀薄预混合气之后才成立的燃烧方式，要求缸内的空气过剩率较大。至少在现状中，预混合燃烧只能在低负荷区域这种被限定的运转区域中进行。因而，在高负荷区域中需要进行通常的扩散燃烧，并需要根据发动机的运转状态来切换预混合燃烧和扩散燃烧。并且，如果没有适当地进行该切换则会产生燃烧噪音及转矩变动。

发明内容

所以，本发明的目的是提供一种能够顺利且适当地进行预混合燃烧与扩散燃烧的切换的柴油发动机的控制装置。

根据本发明的第一技术方案，提供一种柴油发动机的控制装置，用于控制喷射到柴油发动机的缸内的燃料的喷射量和喷射时期，其特征在于，设定通常喷射模式和预混合喷射模式的两个控制模式，所述通常喷射模式控制喷射量与喷射时期，以使喷射的燃料在其喷射期间内在压缩上死点附近着火；所述预混合喷射模式控制喷射量与喷射时期，以使燃料喷射在压缩上死点前结束、并且其喷射的燃料经过预混合期间并在压缩上死点附近着火；预先独立地设定该各控制模式中的控制参数的目标值，设有变更单元，该变更单元用于在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，使一个控制模式的目标值变更为另一个控制模式的目标值，在上述通常喷射模式中执行少量的先导喷射和大量的主喷射，并且在上述预混合喷射模式中仅执行主喷射；上述目标值至少包括上述通常喷射模式中的目标先导喷射量、目标先导喷射时期、目标主喷射量及目标主喷射时期、和上述预混合喷射模式中的目标主喷射量及目标主喷射时期；将上述通常喷射模式中的目标先导喷射量和目标先导喷射时期，分别与上述预混合喷射模式中的目标主喷射量和目标主喷射时期建立关联；上述变更单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在上述通常喷射模式中的目标先导喷射量与上述预混合喷射模式中的目标主喷射量之间进行变更，并且在上述通常喷射模式中的目标先导喷射时期与上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期之间进行变更。

优选的是，上述变更单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，逐渐地进行上述目标值的变更。

优选的是，上述目标值包含上述通常喷射模式和上述预混合喷射模式中的进气系统的控制参数的目标值，上述变更单元具有延迟单元，该延迟单元用于在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，使一个控制模式中的燃料系统的目标值的变更、比一个控制模式中的空气系统的目标值的变更延迟地开始。

优选的是，设有EGR装置，用于执行将排气气体的一部分回流到进气侧的EGR，该EGR装置具有用于变更EGR率的阀；和控制上述阀以使实际的EGR率接近于目标EGR率的EGR控制单元；上述目标值至少包括目标燃料喷射量、目标燃料喷射时期、和上述目标EGR率；上述延迟单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始上述目标EGR率的变更后开始上述目标燃料喷射量与上述目标燃料喷射时期的变更。

也可以是，上述阀至少包括设在上述发动机的进气通道中的进气节流阀，上述EGR控制单元是为了控制上述EGR率而控制吸入空气量的单元，是至少控制上述进气节流阀以使实际的吸入空气量接近于目标吸入空气量的单元；上述延迟单元在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始上述目标吸入空气量的变更后开始上述目标燃料喷射量与上述目标燃料喷射时期的变更。

优选的是，在上述预混合喷射模式中，上述目标EGR率设定为50％以上。

优选的是，设有用于根据发动机温度修正上述目标EGR率的单元。

优选的是，设有以高压状态储存喷射前的燃料的共轨、和用于控制作为该共轨内的燃料压力的共轨压的单元；上述目标值还包括目标共轨压；上述延迟单元还在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始上述目标EGR率的变更后开始上述目标共轨压的变更。

优选的是，设有用于根据发动机温度修正上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期的单元。

优选的是，在比上述预混合喷射模式靠发动机的高负荷侧执行上述通常喷射模式。

优选的是，上述发动机具备设在活塞的顶部的凹形的空腔、和设定喷射角度以使得在上述任意的控制模式中喷射的燃料都进入到上述空腔内的喷嘴。

根据本发明，能够发挥的良好效果为：能够顺利且适当地进行预混合燃烧与扩散燃烧的切换、能够将切换时的燃烧噪音及转矩变动防止于未然。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的柴油发动机的概略图。

图2是表示从喷嘴喷射的燃料与活塞的关系的图。

图3是表示发动机运转区域中的预混合区域与通常区域的映射图。

图4是表示本实施方式的柴油发动机与以往的开放式发动机的比较结果的曲线图。

图5是表示检测了预混合燃烧时对于喷射时期不同的各值变化的测定结果的曲线图。

图6表示预混合模式与通常喷射模式中的各控制参数的目标值映射图。

图7是表示控制模式的切换时的各目标值变化状况的时序图。

图8是表示对应于发动机负荷变化的进气系统的值的变化状况的曲线图。

图9是表示控制模式的切换时的喷射量及喷射时期的变化状况的时序图。

图10是表示用于目标预混合主喷射时期决定的逻辑的图。

图11是更具体地表示用于决定目标预混合主喷射时期的映射图的图。

图12是检测了预混合区域中的实际A/F的试验结果。

图13是表示以往的开放式发动机的概略图。

图14是表示将预混合主喷射和通常先导喷射建立了关联时的映射图彼此的关系的图。

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明的优选的实施方式。

图1表示本实施方式的柴油发动机(以下称作发动机)的控制装置。另外，在图1中仅表示了一个缸，但当然也可以是多个缸。

图中1是发动机主体，由缸2、缸盖3、活塞4、进气口5、排气口6、进气阀7、排气阀8、喷嘴9等构成。通过缸2、缸盖3及活塞4划分形成燃烧室10。在活塞4的顶部凹设有空腔11，从面向燃烧室10设置的喷嘴9朝向空腔11内直接喷射燃料。

本实施方式的发动机的空腔11及喷嘴9，与以实现扩散燃烧为前提而设计的通常的柴油发动机同样地设计。

具体地说明，如图2所示，本实施方式的空腔11是开口部(上端部)的面积与比其靠下侧部分的截面积相比较小地形成、并且在其底部中央具有向上方隆起的凸部的凹形的空腔，喷嘴9与缸2大致同轴地配置、从多个喷孔(孔)以一般的喷射角β(例如140°～165°的范围)喷射燃料。

回到图1，喷嘴9与共轨24连接，并一直对喷射器9供给储存在该共轨24中的高压燃料。向共轨24的燃料压送通过高压供给泵25进行。

进气口5与进气管12连接，它们形成进气通道。排气口6与排气管13连接，它们形成排气通道。

本实施方式的发动机还具备EGR装置19，用于执行使排气管13内的排气气体的一部分(EGR气体)回流到进气管12中的EGR。

EGR装置19具备用于连接进气管12与排气管13的EGR管20、用于改变EGR管20的管路面积地调节EGR率的EGR阀21、和在EGR阀21的上游侧冷却EGR气体的EGR冷却器22。通过增大EGR阀21的阀开度，能够增大吸入到缸内的进气的EGR率及EGR量，反之，通过减小EGR阀21的阀开度，能够降低进气的EGR率及EGR量。

在进气管12中设有用于在与EGR管20的连接部的上游侧适当节流吸入空气的进气节流阀23。该进气节流阀23也包含在EGR装置19中。通过控制该进气节流阀23的开闭，也能够控制吸入空气(新气)占进气整体的量或比例地控制EGR率。即，通过增大进气节流阀23的阀开度，能够增加吸入空气量(比例)、减小进气的EGR率及EGR量，反之，通过减小进气节流阀23的阀开度，能够减少吸入空气量、增加进气的EGR率及EGR量。

设有用于电子控制该发动机的电子控制单元(以下称作ECU)26。ECU26从各种传感器类读取发动机的运转状态，根据该发动机运转状态来控制喷嘴9、EGR阀21、进气节流阀23等。作为上述传感器类，包括用于检测油门开度的油门开度传感器14、用于检测发动机的曲轴(未图示)的相位即曲轴转角的曲轴转角传感器16、用于检测共轨24内的燃料压力的共轨压传感器17、用于检测吸入空气量的吸入空气量传感器15等，根据各传感器的输出信号，ECU26决定实际的油门开度、曲轴转角、共轨压、吸入空气量等。特别是，ECU26根据油门开度的值决定发动机的负荷L，并且计算相对于时间的曲轴转角的增加比例，并决定发动机的转速NE。

通过由ECU26开启/关闭喷嘴9来执行/停止喷嘴9的燃料喷射。ECU26根据由上述传感器类检测的表示发动机运转状态的参数、特别是发动机转速NE和发动机负荷L的检测值，来决定燃料的喷射量和喷射时期的目标值，如果实际的曲轴转角到达目标喷射时期，则从此时开始只将喷嘴9通电(开启)与目标喷射量相当的时间。即，喷射量与喷嘴的通电时间相当，所谓的喷射时期是指喷嘴的通电开始时期即喷射开始时期。目标喷射量与目标喷射时期通过实机试验等预先决定，其值以映射图形式存储在ECU26内的存储器中。

此外，也执行共轨压、即喷射压力的反馈控制。即，ECU26根据由上述传感器类检测的表示发动机运转状态的参数、特别是发动机转速NE和发动机负荷L的检测值，并根据预先存储的映射图，来决定共轨压的目标值，并控制未图示的调节阀的开度地控制从高压供给泵25向共轨24的燃料压送量，以使实际的共轨压接近于该目标值。

本实施方式的发动机在规定的运转区域中实现如在“背景技术”栏中说明的预混合燃烧，在此外的运转区域中实现通常的扩散燃烧。更具体地说明，如图3所示，在根据发动机转速NE和燃料喷射量Q设定的发动机运转区域的映射图上，预先设定有实现预混合燃烧的区域(预混合区域)、和实现通常的扩散燃烧的区域(通常区域)，并预先设定有规定各区域的边界的切换线A。预混合区域被设定在比通常区域靠低负荷侧。

并且，本实施方式的控制装置，作为控制模式具备在预混合区域中执行的预混合喷射模式、和在通常区域中执行的通常喷射模式的两个。在实际的发动机转速NE和目标燃料喷射量Q处于预混合区域中时(即处于比切换线A靠低负荷侧时)，执行预混合燃烧的控制，在其处于通常区域时(即处于比切换线A靠高负荷侧时)，执行通常喷射模式的控制。在发动机运转中，在运转状态从预混合区域向通常区域发生了变化的情况下、或者在向其反向发生了变化的情况下，与其对应，分别在图示的B点及C点也切换控制模式。对此在后面详细叙述。

[预混合燃烧]

如上所述，本实施方式的发动机使用凹形的空腔11、和具有通常的喷射角度β的喷嘴9，并实现预混合燃烧。在预混合区域中，ECU26将燃料的喷射时期控制为如下的喷射时期：在活塞4的压缩上死点前结束燃料的喷射、并且其喷射的燃料全部进入到空腔11内。这种喷射时期例如是上死点前5～35°的范围。即，燃料的喷射时期与通常燃烧的情况相比具有提前角，但是该提前角的程度被限制在如喷射的燃料全部进入到空腔11内的范围。

这里，根据图2更具体地说明这种喷射时期(喷射开始时期)。

图2(a)表示燃料的喷射开始时期(喷嘴被开启的瞬间)的状态，在该时期还没有从喷嘴9喷射燃料，活塞4位于较下方。然后当经过一定期间时，如图2(b)所示，活塞4上升一些，燃料F从喷嘴9开始向径向外侧飞散。但是，在该时期燃料F还没有到达活塞4的空腔11。并且，当再经过期间时，如图2(c)所示，燃料F碰撞到空腔11的侧壁上部。此时，如全部的燃料F被供给到空腔11的内侧那样的喷射时期，是在本实施方式中所设定的喷射时期。反之，如碰撞到空腔11的燃料的一部分向上方反弹并附着在缸盖3的下面那样的喷射时期，在本实施方式中没有设定。

然而，一般在预混合燃烧中，由于预混合气依存于缸内的温度及压力等进行压缩自着火，所以着火时期的控制困难。所以，在本实施方式中，为了控制该着火时期而控制EGR率。根据输出及燃料消耗率的观点，优选着火时期在压缩上死点附近，但是在预混合燃烧中，由于与通常的扩散燃烧的情况相比提前喷射燃料，所以根据缸内的状态可能在达到压缩上死点附近之前产生着火。因此，在EGR控制中进行控制，以便对于供给到缸内的进气(吸入空气+EGR气体)的目标EGR率，被设定得比通常燃烧的情况高，使着火时期延迟喷射时期提前的量，并在压缩上死点附近进行着火。具体而言将目标EGR率设定为50％以上。

此外，在进行预混合燃烧的以往的发动机中，如图13所示，使较窄的喷射角度α和浅盘型或开放式空腔CA组合，并使喷射时期较大地提前，从喷嘴喷射的燃料也一定到达空腔CA内。相对于此，在如本实施方式那样、使用了具有通常的喷射角度β(140°～165°的范围内)的喷嘴9的情况下，喷射角度变得比以往大，喷射时期能够提前的范围变得比以往的发动机小。如此成为在缸内压力及温度较高的状态下喷射燃料，有可能在压缩上死点前发生着火。但是，在本实施方式中，由于如上所述地将目标EGR率设定为较高的值，所以能够使着火时期延迟并控制到压缩上死点附近。

在本实施方式中，为了控制EGR率，预先在ECU26中存储根据发动机运转状态的吸入空气量的目标值映射图(参照图6)，ECU26根据该映射图控制EGR阀21及进气节流阀23的一个或两者，以便使实际的吸入空气量接近目标吸入空气量。该吸入空气量的目标值映射图预先设定为：当根据该映射图控制吸入空气量时实际的EGR率成为目标EGR率。这里，吸入空气量是对应于EGR率的值。这是因为，在进气量一定的情况下，如果吸入空气量增加则EGR率减少，如果吸入空气量减少则EGR率增加。由于进气量是根据发动机转速来决定的，所以能够根据发动机转速和吸入空气量计算EGR率。

这样，通过EGR装置19执行较大量的EGR而使预混合气的氧浓度降低，由此能够充分确保预混合期间。因而，在不能将燃料的喷射开始时期极端提前的本实施方式的发动机中，能够确实地实现预混合燃烧。此外，由于控制EGR率(在本实施方式中是控制吸入空气量)地将着火时期控制为适当的时期(活塞压缩上死点附近)，所以能够确保足够的燃料消耗率及输出。并且，通过执行大量的EGR而使预混合气的氧浓度降低，也能够降低排气气体中的NOx。

图4表示本实施方式的发动机、和如图13所示的使用了开放式空腔CA及较窄的喷射角度α的喷嘴I的发动机(以下称作开放式发动机)中的平均有效压力Pmi、THC排出量、烟排出量的测定结果。

图的横轴是燃料的喷射开始时期(ATDC)，图中连接方形点的线表示本实施方式的发动机、连接三角形点的线表示开放式发动机的测定结果。另外，连接菱形点的线是将进行扩散燃烧的通常的柴油发动机的测定结果作为参考进行表示。

由图可知，本实施方式的发动机的平均有效压力Pmi(相当于输出)在所有的喷射开始时期都超过开放式发动机。

此外，对于THC及烟的排出量，在所有的喷射开始时期与开型发动机相同或为其以下。特别要说明的是，本实施方式的发动机在范围大的喷射开始时期中烟排出量少。这意味着喷射开始时期的设定的自由度高。即，在开放式发动机中由于烟排出量少的喷射时期范围窄(—26°～—18°ATDC)，所以喷射时期的可设定范围也变窄，但在本实施方式的发动机中由于烟排出量少的喷射时期范围宽(—30°～—14°ATDC)，所以能够在该宽的范围内自由地设定喷射时期。

这样，本实施方式的发动机与开放式发动机相比，输出、排气气体都良好的理由推测是凹形的空腔11的效果。即，在凹形的空腔11中由于能够在空腔11内进行几乎全部燃烧，所以这会带来输出的提高。此外，由于凹形的空腔11能够将在空腔11内形成的涡流长期间保持在空腔11内，所以预混合气的混合实现更充分的稀薄、均匀化。可认为这会带来排气气体的改善。并且，作为凹形的空腔11的其他优点的高挤气的形成，也对排气气体的改善有贡献。

图5表示在本实施方式的发动机中将燃料的喷射时期设定为三种，并在各喷射时期使EGR率在约40～60％之间变化时的、THC排出量、NOx排出量、烟排出量、净平均有效压力BMEP(相当于输出)的测定结果。

图的横轴是预混合气的空燃比(A/F)，图中连接圆点的线是喷射时期20°BTDC、连接三角形点的线是喷射时期30°BTDC、连接菱形点的线是喷射时期40°BTDC。另外，连接方形点的线是将进行扩散燃烧的通常的柴油发动机的测定结果作为参考进行表示。

由图可知，THC排出量在喷射时期20°BTDC和30°BTDC大致相等，与此相对在使喷射时期为40°BTDC的情况下大幅度地恶化。此外，对于净平均有效压力BMEP，也是在使喷射时期为20°及30°BTDC的情况下大致相等，而只在使喷射时期为40°BTDC的情况下大幅度地降低。

这样，在使喷射时期为40°BTDC的情况下，与使喷射时期为20°及30°BTDC的情况相比，可认为THC排出量、输出都恶化的理由是喷射的燃料的一部分从空腔11向外飞散。

即，在使喷射时期为20°及30°BTDC的情况下，由于喷射的燃料都进入到空腔11内，所以THC排出量、输出都良好，两者没有大的差，但在使喷射时期为40°BTDC的情况下，喷射时期过早燃料的一部分飞散到空腔11外并附着在缸盖3的下面，导致THC的排出。此外，向空腔11外飞散的燃料由于不能在空腔11内燃烧，所以导致输出的降低。

接着，在图5中，当着眼于EGR率和排气气体以及输出的关系时，可知在所有的喷射时期，EGR率越高NOx排出量降低越多。这是由于，通过大量的EGR降低了预混合气的氧浓度。由图可知，在使喷射时期为20°及30°BTDC的情况下，如果使EGR率为50％以上，则能够将NOx排出量降低到大致零水平。另外，对于THC排出量、烟排出量、净平均有效压力BMEP，与EGR率没有明确的相关关系。

根据图5的测定结果可知，根据设定喷射时期以使燃料全部进入到空腔11内、并且执行大量的EGR的本实施方式的发动机，能够得到良好的排气气体特性及输出。

[通常燃烧]

本实施方式的发动机在高负荷侧实现通常的扩散燃烧。本实施方式的发动机由于使用适合于扩散燃烧的凹形的空腔11、和喷射角度β较宽的通常的喷嘴9，所以在实现扩散燃烧时也能够确保良好的燃烧。即，当为了实现扩散燃烧在压缩上死点附近喷射燃料时，由于喷射的燃料与通常的柴油发动机同样地碰撞空腔11的侧壁，所以不会大量地产生烟等。此外，通过凹形的空腔11，由于能够将在空腔11内形成的涡流保持在空腔11内，所以能够得到良好的排气气体特性。

因而，根据本实施方式的发动机，能够如上所述在低负荷区域实现良好的预混合燃烧，并且在高负荷区域也能够切换为扩散燃烧并确保良好的燃烧。

这里，为了确实地实现良好的扩散燃烧，如下地设定喷嘴9的燃料喷射角度β。即，使角度为，在活塞4的压缩上死点附近喷射的燃料，到达比空腔11的最低位置J(参照图2(a))靠径向外侧的空腔内壁。通过在满足该条件的范围内使喷嘴9的喷射角度β尽可能地窄，能够适当地使预混合燃烧与扩散燃烧并存，并且能够在预混合燃烧时使喷射开始时期较大地提前。

另外，在本发明的发动机中，为了在预混合燃烧时进一步促进预混合气的混合，优选使用高涡流型的缸盖3或进气口5。例如也可以在进气口5上设置涡流生成装置。

此外，在本实施方式中，作为EGR装置说明了使排气管13内的排气气体的一部分回流到进气管12内的外部EGR装置，但本发明并不限于这一点，也可以使用开闭控制排气阀8或进气阀7、使排气气体回流到燃烧室10内的内部EGR装置。

[发动机控制]

根据本实施方式，如参照图3所说明的那样，具备在预混合区域执行的预混合喷射模式、和在通常区域执行的通常喷射模式的两个控制模式。并且，在发动机运转中，实际的发动机转速NE和目标燃料喷射量Q的值分别在预混合区域的值和通常区域的值之间变化，在超过切换线A时，与其对应也切换控制模式。加速时及减速时的切换点的例子分别用B点及C点表示。

在预混合喷射模式中，燃料喷射在压缩上死点前结束，并控制喷射量与喷射时期，以使其喷射的燃料经过预混合期间并在压缩上死点附近着火。此外，在通常喷射模式中，控制喷射量与喷射时期，以使喷射的燃料在其喷射期间内在压缩上死点附近着火。

如图6所示，对于预混合喷射模式和通常喷射模式分别独立地设定控制参数的目标值。即，预先对于多个不同的控制参数的每一个，分别设定根据表示发动机运转状态的1个以上的参数(发动机运转速度、发动机负荷等)的控制参数(主喷射时期等)的目标值映射图，并且，对相同的控制参数设置预混合喷射模式用的映射图、和通常喷射模式用的映射图。在后面详细叙述，但是在本实施方式中在预混合喷射模式中仅执行1次的主喷射，在通常喷射模式中执行先导喷射和主喷射的两次燃料喷射。本实施方式的控制参数包括主喷射量、主喷射时期、先导喷射量、先导喷射时期、吸入空气量及共轨压。但是，可以采用例如使用了可变容量型涡轮增压器的发动机的增压及可动叶片开度等、其他各种控制参数。

这样，由于对相同的控制参数分别独立地设定两个目标值，所以有时在切换控制模式后尽管是大致相同的发动机运转状态、但目标值较大地变化。当在控制模式的切换时使目标值急剧地较大地(即以阶梯状)变化时，随之实际的值也急剧地较大地变化，会产生燃烧噪音及转矩变动，此外还有可能引起过渡时的排气气体恶化等。

所以，为了避免这种问题，优选在控制模式的切换时逐渐地变更目标值。执行该变更的是本实施方式的控制装置，其状况如图7所示。在图示例子中，在t1的时期，控制模式从通常喷射模式切换为预混合喷射模式，然后在t3的时期，控制模式从预混合模式切换为通常喷射模式。在该切换时，各控制参数的目标值也被从一个控制模式的值(例如V1)变更为另一个控制模式的值(例如V2)，但在该变更时一个值经过一定时间逐渐被变更为另一个值。即，优选的是，从一个值向另一个值的变更不是瞬间且急剧地进行的阶梯状，而是经过一定时间平缓地进行的斜坡状。这种变更例如可以通过对成为基本的阶梯输入执行钝化处理、并将其输出作为目标值来实现。通过这样逐渐变更目标值，能够防止实际值的急剧变化，能够将燃烧噪音及转矩变动的产生、并且过渡时的排气气体恶化防止于未然。

此外，在本实施方式中，在控制模式的切换时进行使燃料系统的目标值的变更相对于进气系统的目标值的变更延迟的延迟控制。这里所谓的燃料系统的目标值，在图示例子中是目标主喷射量、目标主喷射时间、目标先导喷射量、目标先导喷射时期及目标共轨压，所谓的进气系统的目标值，在图示例子中是目标吸入空气量。

如图7所示，在开始了进气系统的目标值的变更后，开始燃料系统的目标值的变更。例如，在时期t1，在控制模式从通常喷射模式切换为预混合喷射模式时，开始目标吸入空气量的变更，然后，在目标吸入空气量的值达到规定的阈值MAF1时(时期t2)，开始目标主喷射量、目标主喷射时间、目标先导喷射量、目标先导喷射时期及目标共轨压的变更。这样，燃料系统的目标值的变更相对于进气系统的目标值的变更只延迟Δt1＝t2—t1地被执行。

同样，在时期t3，在控制模式从预混合喷射模式切换为通常喷射模式时，也首先开始目标吸入空气量的变更，然后，在目标吸入空气量的值达到规定的阈值MAF2时(时期t4)，开始目标主喷射量、目标主喷射时间、目标先导喷射量、目标先导喷射时期及目标共轨压的变更。这样，燃料系统的目标值的变更相对于进气系统的目标值的变更只延迟Δt3＝t4—t3地被执行。

如此进行的理由是，进气系统的实际的值比燃料系统的实际的值延迟进行变化的、所谓响应性的差异。即，即使变更目标吸入空气量，并假设能够马上将进气节流阀23及EGR阀21变更为相当于目标值的开度，由于在进气节流阀23及EGR阀21与缸内燃烧室10之间存在一定程度的距离及容积，所以实际存在于燃烧室10内的进气的EGR率变更为相当于目标值也是在经过了一定时间以后。此外，预混合区域的目标EGR率被设定为50％以上的较高的值，与此相对通常区域的目标EGR率大致为30％左右以下。由此，由于区域间的移动目标EGR率较大地变化，这也是实际的EGR率的追随延迟的原因。另一方面，如果对喷嘴9发送了相当于目标值的信号则燃料系统的值能够立即变更，并且共轨压的变更也能够较迅速地执行。因而，如本实施方式那样，通过使能够迅速变更的燃料系统的值比进气系统的值延迟变更、并等待实际的燃烧室10内的EGR率的变化地使燃料系统的值变化，由此能够实现期望的燃烧状态。特别是，EGR率在预混合燃烧中是重要的参数，配合实际的EGR率进行控制是重要的。

在图8中表示对应于发动机负荷变化的进气系统值的变化状况。在(a)～(c)的各曲线图中，横轴是发动机负荷，纵轴在(a)中是吸入空气量、在(b)中是EGR率、在(c)中是A/F(空燃比)。在各曲线图中，实线是通常喷射模式中的值，虚线是混合喷射模式中的值。(a)的线图表示目标值，(b)及(c)的线图表示实际值。

在加速时等发动机负荷向增大方向变化时，各值如粗线箭头E那样变化。在预混合喷射模式的执行中，各值如沿着虚线向右侧移动地进行变化。并且，当达到切换点B时，各值变化为作为通常喷射模式的值的实线上的值，以后各值如沿着实线向右侧移动地进行变化。在切换点B，各值如E1所示那样进行变化，但在本实施方式中由于执行上述那样的使其逐渐变化的控制，所以变化较平缓地进行。

如(b)所示，在预混合喷射模式中，EGR率为50％以上，在切换点B之前为50％附近，越是朝向低负荷侧其值变得越大。并且，当切换为通常喷射模式时，EGR率大幅度减少到30％以下，在切换点B之后为30％附近，越是朝向高负荷侧其值变得越小。设定目标EGR率，并在本实施方式中如(a)那样设定目标吸入空气量，以便成为如以上那样的EGR率变化。在(a)中，吸入空气量越是朝向高负荷侧其值变得越大。其对应于EGR率逐渐减少。并且，当从预混合喷射模式切换为通常喷射模式时，吸入空气量变化为更大的值。

对应于上述的EGR率变化的A/F的变化在(c)中表示。预混合喷射模式中的A/F具有比理想配比(理论空燃比：约14.5)大的值(即、稀空燃比侧)，并随着发动机负荷的增大而逐渐减少，在切换点B达到理想配比附近(即、比理想配比大若干的值，例如15)。该值是进行预混合燃烧的界限。并且，当在切换点B切换为通常喷射模式时，A/F再次增大，以后在暂时减少后成为大致一定值。如图所示，在比理想配比高的A/F的一定范围内存在烟产生区域。在通常喷射模式中，A/F是比烟产生区域高若干的值并大致一定，避开了烟产生区域。另外，在图中，在预混合喷射模式中有通过烟产生区域的部分，但实际上燃料在被均匀预混合化并燃烧，与上述的凹形的空腔的效果共同作用，烟的产生不成为问题。设定各目标值，以实现以上那样的A/F变化。

另外，在减速时等发动机负荷向减少方向变化时呈现与上述相反的变化。

图9表示控制模式切换时的喷射量和喷射时期的变化状况。(a)表示通常喷射模式的情况，(d)表示预混合喷射模式的情况，(b)、(c)表示这些模式之间的迁移状态。由图可知，在预混合喷射模式中仅执行1次主喷射，在通常喷射模式中执行先导及主喷射的两次喷射。

这里的特征是，预混合喷射模式中的主喷射(以下也称作预混合主喷射)的喷射量及喷射时期、与通常喷射模式中的先导喷射(以下也称作通常先导喷射)的喷射量及喷射时期相互建立关联，并在它们之间进行迁移。即，预混合主喷射和通常先导喷射的喷射时期都是压缩上死点TDC之前，是相互比较接近的时期。所以，由于将它们建立关联地进行控制能够顺利地进行迁移，并且在控制上能够作为一个值来处理，所以是优选的。现在，在本实施方式中，也将预混合主喷射与通常先导喷射的喷射时期作为一个或共通的控制参数来处理。

在从(a)朝向(d)的从通常喷射模式向预混合主喷射模式的切换时，通常先导喷射的喷射时期及喷射量逐渐转换到预混合主喷射的喷射时期及喷射量，通常喷射模式中的主喷射(以下也称作通常主喷射)，其喷射时期固定在压缩上死点附近，喷射量逐渐减少最终成为零。反之，在从(d)朝向(a)的从预混合主喷射模式向通常喷射模式的切换时，预混合主喷射的喷射时期及喷射量逐渐转换到通常先导喷射的喷射时期及喷射量，通常主喷射从最初没有的状态逐渐出现，在喷射时期被固定在压缩上死点附近不变的状态下喷射量逐渐增大，最终达到通常喷射模式中的目标值。

关于通常先导喷射与预混合主喷射的关系，关于喷射量，一般通常先导喷射的喷射量比预混合主喷射的喷射量少。关于喷射时期，在图示例子中与预混合主喷射的喷射时期相比通常先导喷射的喷射时期提前，但也可以具有延迟的情况。通常先导、主喷射的方式具有多种，例如除了在主喷射之前执行先导喷射、并通过由先导喷射制作的火种使主喷射燃料持续地燃烧的方式以外，还存在较提前地进行先导喷射并将该喷射燃料均匀预混合化、然后执行主喷射的方式等。在后者的情况下，可以适用如本申请人在特开2003—148222中公开的、最大热产生率为60kJ/s以下的提前先导喷射。

另外，在这样将预混合主喷射与通常先导喷射建立了关联的情况下，图6所示的映射图彼此的关系成为图14所示那样。即，预混合主喷射的喷射时期及喷射量分别与通常先导喷射的喷射时期及喷射量建立关联，在它们之间进行目标值的转换。与此相对，由于在预混合主喷射中不存在先导喷射，所以也不存在喷射时期及喷射量计算映射图。当控制模式被从预混合喷射模式切换为通常喷射模式时，根据通常喷射模式的主喷射时期计算映射图，决定对应于当时的发动机运转状态的喷射时期的目标值。另一方面，根据通常喷射模式的主喷射量计算映射图，决定对应于当时的发动机运转状态的主喷射量的临时目标值，最终的目标值逐渐接近该临时目标值。

图10中表示用于预混合主喷射的目标喷射时期决定的逻辑。如上所述，由于在本实施方式中将预混合主喷射与通常先导喷射的喷射时期作为相同的控制参数来处理，所以该逻辑也作为决定通常先导喷射的目标喷射时期的逻辑使用。此外，在本实施方式中，也使用相同的逻辑决定目标吸入空气量。该逻辑由ECU26执行。

如图所示，首先，利用基础映射图，根据实际的发动机转速NE和目标燃料喷射量Q，决定目标预混合主喷射时期的基础值。另一方面，根据实际的发动机转速NE和目标燃料喷射量Q，利用修正值基础映射图决定基础修正值。并且，进一步根据由水温传感器(未图示)检测到的发动机的水温THW(这是发动机温度的代用值，也可以使用油温等)，利用修正系数映射图决定修正系数。通过将该修正系数乘以修正值的基础值来决定最终修正值，并将该最终修正值加上目标先导喷射时期的基础值，由此得到最终的目标预混合主喷射时期。即，通过该逻辑，修正目标预混合主喷射时期(即目标通常先导喷射时期)、和目标吸入空气量。

在发动机没有完全暖机的状态下，缸内温度及EGR冷却器22的EGR气体的冷却效率与暖机后不同。并且，根据发动机暖热机状态，EGR率及O2浓度也变化。特别是在预混合燃烧中，将O2浓度及EGR率(或者吸入空气量)正确地控制为期望值是重要的。这是如这里说明了的进行根据发动机温度的修正的理由。

另外，以发动机的暖机状态及EGR冷却器的状态(包括劣化等)为起因的如上述那样的修正，更优选检测吸入到缸内的实际的进气温度及O2浓度、并根据这些值来进行。

图11更具体地表示用于决定目标预混合主喷射时期的映射图。横轴是发动机转速(rpm)，纵轴是燃烧喷射量(mm3/st)，并仅使用切换线A的低负荷侧(下侧)。此外，在实用上，由于除在燃料切断时等以外不存在燃料喷射量为零的情况，所以使用相当于空转的燃料喷射量(在本实施方式中是5(mm3/st))以上的区域。由图可知，预混合主喷射时期被设定在上死点前5～35°的范围内，随着发动机转速及燃料喷射量(相当于发动机负荷)的增大，具有提前的倾向。此外，在发动机转速一定的情况下，负荷越增加喷射时期越提前。这是因为，随着喷射量的增大需要增大预混合期间。另一方面，在燃料喷射量一定的情况下，转速越提高喷射时期越提前。这是因为，随着转速的增大活塞速度也增加，为了确保预混合期间需要提前开始喷射。

图12是通过实机检测预混合区域中的实际的A/F的试验结果。这里所示的A/F的值是根据实际的吸入空气量计算的值，不是直接测定缸内的A/F的值。与上述同样，横轴是发动机转速(rpm)，纵轴是燃烧喷射量(mm3/st)，仅切换线A的低负荷侧(下侧)且比空转喷射量靠高负荷侧(上侧)是有效的。A/F在切换线A的位置上是预混合燃烧界限的约15，从此处越是达到靠低负荷侧、值变得越大，并显示出稀空燃比倾向。其最低负荷侧的最大值超过35。

如以上所说明的，根据本发明的柴油发动机的控制装置，能够顺利且适当地进行预混合燃烧与扩散燃烧的切换，并能够将切换时的燃烧音变化及转矩冲击防止于未然。

本发明的实施方式并不限于上述实施方式，可以采用各种其他的实施方式。例如，在上述实施方式中将吸入空气量作为与EGR率有关的参数使用，但也可以直接使用EGR率的值。即，也可以预先设定目标EGR率自身，并且检测实际的EGR率并进行控制，以使实际的EGR率接近目标EGR率。此外，在通常喷射模式中，先导喷射并不是必需的，也可以只进行主喷射。此外，相反也可以进行如多次执行先导喷射那样的多级喷射。

符号说明

1 发动机主体  4 活塞  2 缸  9 喷嘴  11 空腔  11a 凸部

14 油门开度传感器  15 吸入空气量传感器  16 曲轴转角传感器

17 共轨压传感器  20 EGR通道  21 EGR阀  23 进气节流阀

24 共轨  26 电子控制单元(ECU)  β 喷射角度

Claims (25)

1、一种柴油发动机的控制装置，用于控制喷射到柴油发动机的缸内的燃料的喷射量和喷射时期，其特征在于，

设定通常喷射模式和预混合喷射模式的两个控制模式，所述通常喷射模式控制喷射量与喷射时期，以使喷射的燃料在其喷射期间内在压缩上死点附近着火；所述预混合喷射模式控制喷射量与喷射时期，以使燃料喷射在压缩上死点前结束、并且其喷射的燃料经过预混合期间在压缩上死点附近着火；

预先独立地设定该各控制模式中的控制参数的目标值，

设有变更单元，该变更单元用于在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，使一个控制模式的目标值变更为另一个控制模式的目标值，

在上述通常喷射模式中执行少量的先导喷射和大量的主喷射，并且在上述预混合喷射模式中仅执行主喷射；

上述目标值至少包括上述通常喷射模式中的目标先导喷射量、目标先导喷射时期、目标主喷射量及目标主喷射时期、和上述预混合喷射模式中的目标主喷射量及目标主喷射时期；

将上述通常喷射模式中的目标先导喷射量和目标先导喷射时期，分别与上述预混合喷射模式中的目标主喷射量和目标主喷射时期建立关联；

上述变更单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在上述通常喷射模式中的目标先导喷射量与上述预混合喷射模式中的目标主喷射量之间进行变更，并且在上述通常喷射模式中的目标先导喷射时期与上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期之间进行变更。

2、如权利要求1所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述变更单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，逐渐地进行上述目标值的变更。

3、如权利要求2所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述目标值包含上述通常喷射模式和上述预混合喷射模式中的进气系统的控制参数的目标值，

上述变更单元具有延迟单元，该延迟单元用于在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，使一个控制模式中的燃料系统的目标值的变更、比一个控制模式中的空气系统的目标值的变更延迟地开始。

4、如权利要求3所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有：EGR装置，用于执行将排气气体的一部分回流到进气侧的EGR，该EGR装置具有用于变更EGR率的阀；和EGR控制单元，控制上述阀以使实际的EGR率接近目标EGR率；

上述目标值至少包括目标燃料喷射量、目标燃料喷射时期、和上述目标EGR率；

上述延迟单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始了上述目标EGR率的变更后开始上述目标燃料喷射量与上述目标燃料喷射时期的变更。

5、如权利要求4所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述阀至少包括设在上述发动机的进气通道中的进气节流阀，上述EGR控制单元是为了控制上述EGR率而控制吸入空气量的单元，是至少控制上述进气节流阀以使实际的吸入空气量接近目标吸入空气量的单元；

上述延迟单元，在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始了上述目标吸入空气量的变更后开始上述目标燃料喷射量与上述目标燃料喷射时期的变更。

6、如权利要求4～5中任一项所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

在上述预混合喷射模式中，上述目标EGR率被设定为50％以上。

7、如权利要求4～5中任一项所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有用于根据发动机温度修正上述目标EGR率的单元。

8、如权利要求6所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有用于根据发动机温度修正上述目标EGR率的单元。

9、如权利要求4～5、8中任一项所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有以高压状态储存喷射前的燃料的共轨、和用于控制作为该共轨内的燃料压力的共轨压的单元；

上述目标值还包括目标共轨压；

上述延迟单元，还在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始了上述目标EGR率的变更后开始上述目标共轨压的变更。

10、如权利要求6所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有以高压状态储存喷射前的燃料的共轨、和用于控制作为该共轨内的燃料压力的共轨压的单元；

上述目标值还包括目标共轨压；

上述延迟单元，还在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始了上述目标EGR率的变更后开始上述目标共轨压的变更。

11、如权利要求7所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有以高压状态储存喷射前的燃料的共轨、和用于控制作为该共轨内的燃料压力的共轨压的单元；

上述目标值还包括目标共轨压；

上述延迟单元，还在从一个控制模式向另一个控制模式的切换时，在开始了上述目标EGR率的变更后开始上述目标共轨压的变更。

12、如权利要求1～5、8、10、11中任一项所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有用于根据发动机温度修正上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期的单元。

13、如权利要求6所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有用于根据发动机温度修正上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期的单元。

14、如权利要求7所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有用于根据发动机温度修正上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期的单元。

15、如权利要求9所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

设有用于根据发动机温度修正上述预混合喷射模式中的目标主喷射时期的单元。

16、如权利要求1～5、8、10、11、13～15中任一项所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述通常喷射模式在比上述预混合喷射模式靠发动机的高负荷侧执行。

17、如权利要求6所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述通常喷射模式在比上述预混合喷射模式靠发动机的高负荷侧执行。

18、如权利要求7所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述通常喷射模式在比上述预混合喷射模式靠发动机的高负荷侧执行。

19、如权利要求9所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述通常喷射模式在比上述预混合喷射模式靠发动机的高负荷侧执行。

20、如权利要求12所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述通常喷射模式在比上述预混合喷射模式靠发动机的高负荷侧执行。

21、如权利要求1～5、8、10、11、13～15、17～20中任一项所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述发动机具备设在活塞顶部的凹形的空腔、和设定喷射角度以使得在上述任意控制模式中喷射的燃料都进入到上述空腔内的喷嘴。

22、如权利要求6所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述发动机具备设在活塞顶部的凹形的空腔、和设定喷射角度以使得在上述任意控制模式中喷射的燃料都进入到上述空腔内的喷嘴。

23、如权利要求7所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述发动机具备设在活塞顶部的凹形的空腔、和设定喷射角度以使得在上述任意控制模式中喷射的燃料都进入到上述空腔内的喷嘴。

24、如权利要求12所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述发动机具备设在活塞顶部的凹形的空腔、和设定喷射角度以使得在上述任意控制模式中喷射的燃料都进入到上述空腔内的喷嘴。

25、如权利要求16所述的柴油发动机的控制装置，其特征在于，

上述发动机具备设在活塞顶部的凹形的空腔、和设定喷射角度以使得在上述任意控制模式中喷射的燃料都进入到上述空腔内的喷嘴。

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