Устройство управления двигателем внутреннего сгорания и способ управления двигателем внетреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к управлению двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием и впрыском в цилиндры (далее также просто называется "двигателем") для прямого впрыска топлива в цилиндр.
Уровень техники
[0002] Для цилиндрового двигателя с прямым впрыском, известна технология, которая увеличивает температуру выхлопных газов посредством впрыска топлива в ходе расширения для того, чтобы активировать катализатор очистки выхлопных газов на ранней стадии в процессе прогрева после холодного запуска.
[0003] В ситуации, в которой катализатор очистки выхлопных газов должен активироваться на ранней стадии, катализатор очистки выхлопных газов не может демонстрировать достаточную функцию очистки. Таким образом, также необходимо уменьшать количество выбросов, таких как HC и NOx, из двигателя. В частности, поскольку топливо, сталкивающееся с поверхностью стенки цилиндров и поверхностью головки поршня (далее также называются "поверхностями стенок" и т.п.), вероятно, должно непосредственно прилипать к поверхности стенок и т.п. и сжижаться в процессе прогрева после холодного запуска, количество несгоревших HC-выбросов имеет тенденцию увеличиваться.
[0004] Соответственно, в JP2006-52687A раскрыта технология для выполнения искрового зажигания до того, как верхушка струи топлива достигнет поверхностей стенок и т.п. посредством впрыска топлива в ходе расширения, чтобы комбинировать раннюю активацию катализатора очистки выхлопных газов и уменьшение компонентов выбросов, таких как HC.
Сущность изобретения
[0005] В ходе расширения, до тех пор, пока искровое зажигание не будет выполнено, давление в цилиндрах снижается по мере того, как поршень опускается. Таким образом, расстояние досягаемости струи топлива является большим, и топливо легко испаряется по сравнению со случаем, в котором топливо впрыскивается во время хода сжатия. Другими словами, струя топлива легче диспергируется во время хода расширения, чем во время хода сжатия. Таким образом, если топливо впрыскивается в ходе расширения в конфигурации, в которой клапан впрыска топлива предоставляется рядом со свечой зажигания в центральной части поверхности потолка камеры сгорания, как описано в вышеуказанном документе, количество воздушно-топливной смеси поблизости от свечи зажигания является недостаточным при моменте зажигания, что возможно приводит к случайному возгоранию. В частности, технология, описанная в вышеуказанном документе, имеет запас для улучшения с точки зрения стабильности сгорания.
[0006] Соответственно, настоящее изобретение направлено на предоставление устройства управления и способа управления, допускающих реализацию ранней активации катализатора очистки выхлопных газов при обеспечении стабильности сгорания.
[0007] Согласно одному варианту осуществления этого изобретения, предоставляется устройство управления двигателем внутреннего сгорания для управления двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием и прямым впрыском в цилиндры, включающим в себя клапан впрыска топлива для впрыска топлива в цилиндр и свечу зажигания для зажигания воздушно-топливной смеси в цилиндре и выполненным с возможностью впрыскивать топливо в ходе расширения и зажигать топливо после впрыска в ходе расширения в конкретном рабочем состоянии. Устройство управления двигателем внутреннего сгорания сокращает интервал между моментом впрыска топлива в ходе расширения и моментом зажигания, когда момент зажигания становится поздним.
Краткое описание чертежей
[0008] Фиг. 1 является схемой конфигурации двигателя внутреннего сгорания, к которому применяется управление вариантом осуществления.
Фиг. 2 является схемой, показывающей пример распыляемых струй клапана впрыска топлива.
Фиг. 3 является схемой, показывающей пример позиционной взаимосвязи между клапаном впрыска топлива и свечой зажигания.
Фиг. 4 является схемой, показывающей другой пример позиционной взаимосвязи между клапаном впрыска топлива и свечой зажигания.
Фиг. 5 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей справочный пример управляющей процедуры для объема впрыска топлива, момента впрыска и момента зажигания.
Фиг. 6 является диаграммой, показывающей состояние воздушно-топливной смеси в момент зажигания.
Фиг. 7 является графиком, показывающим взаимосвязь между интервалом Δt от момента впрыска топлива до момента зажигания и моментом зажигания.
Фиг. 8A является диаграммой, показывающей пример взаимосвязи момента впрыска топлива, каждого параметра в цилиндре и момента зажигания.
Фиг. 8B является диаграммой, показывающей другой пример взаимосвязи момента впрыска топлива, каждого параметра в цилиндре и момента зажигания.
Фиг. 9 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей управляющую процедуру согласно первому варианту осуществления.
Фиг. 10 является картой запрашиваемых Δt.
Фиг. 11 является данными карты, используемыми для вычисления требуемого момента окончания впрыска.
Фиг. 12 является временной диаграммой, когда выполняется управление первым вариантом осуществления.
Фиг. 13 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей управляющую процедуру согласно второму варианту осуществления.
Фиг. 14 является графиком, показывающим взаимосвязь между объемом впрыска топлива во время хода расширения и моментом зажигания во втором варианте осуществления.
Фиг. 15 является графиком, показывающим взаимосвязь между объемом впрыска топлива во время хода впуска и объемом впрыска топлива во время хода расширения во втором варианте осуществления.
Фиг. 16 является графиком, показывающим взаимосвязь между объемом впрыска топлива во время хода впуска и объемом впрыска топлива во время хода расширения в третьем варианте осуществления.
Подробное описание вариантов осуществления
[0009] Далее описываются примерные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
[0010] Первый вариант осуществления
Фиг. 1 является схемой принципиальной конфигурации цилиндрового двигателя с искровым зажиганием и прямым впрыском топлива (далее также называется "двигателем"), к которому применяется настоящий вариант осуществления.
[0011] Двигатель 1 вводит свежий воздух в камеру 4 сгорания через впускной канал 2 и впускной клапан 3. Поршень 5, выполненный с возможностью совершать возвратно-поступательные движения, предоставляется в нижней части камеры 4 сгорания. Полость 5a формируется в центральной части поверхности головки поршня 5.
[0012] Клапан 6 впрыска топлива для прямого впрыска топлива в камеру 4 сгорания и свечу 7 зажигания для искрового зажигания воздушно-топливной смеси в камере 4 сгорания предоставляется в верхней части камеры 4 сгорания. Клапан 6 впрыска топлива представляет собой клапан впрыска с форсункой в виде отверстия, имеющий небольшое изменение формы струи также тогда, когда давление в цилиндрах увеличивается во второй половине хода сжатия, и имеющий высокую направленность. Клапан 6 впрыска топлива, используемый в настоящем варианте осуществления, имеет такую конфигурацию, в которой шесть распыляемых струй (B1-B6) образуют коническую форму с клапаном 6 впрыска топлива, служащим в качестве вершины, как показано на фиг. 2, но число струй и т.п. не ограничено означенным.
[0013] Фиг. 3 и 4 являются схемами, показывающими позиционную взаимосвязь между клапаном 6 впрыска топлива и свечой 7 зажигания, и показывает состояние, когда поверхность потолка камеры 4 сгорания просматривается со стороны поршня 5.
[0014] Клапан 6 впрыска топлива и свеча 7 зажигания размещаются рядом друг с другом около центра поверхности потолка камеры 4 сгорания. В частности, клапан 6 впрыска топлива и свеча 7 зажигания должны размещаться только таким образом, что поток газа может формироваться поблизости от свечи 7 зажигания посредством впрыска топлива. Например, как показано на фиг. 3, некоторые (B5 на фиг. 3) из распыляемых струй могут проходить через искровой промежуток свечи 7 зажигания. Дополнительно, как показано на фиг. 4, некоторые (B5 или B6 на фиг. 4) из распыляемых струй могут быть реализованы с возможностью проходить около искрового промежутка свечи 7 зажигания.
[0015] Выхлопной газ после завершения сгорания выпускается в выпускной канал 9 из камеры 4 сгорания через выпускной клапан 8. Датчик 21 воздушно-топливного соотношения выхлопных газов для детектирования воздушно-топливного соотношения выхлопных газов предоставляется в выпускном канале 9, и катализатор 11 очистки выхлопных газов предоставляется после датчика 21.
[0016] Впускной клапан 3 и выпускной клапан 8 управляются, соответственно, посредством кулачка 12 впускного клапана, предоставленного на впускном распределительном валу, и кулачка 13 выпускного клапана, предоставленного на выпускном распределительном валу. Топливный насос 14 располагается в концевой части впускного распределительного вала, и топливо, сжимаемое под давлением в этом топливном насосе 14, вводится в клапан 6 впрыска топлива через высоконапорный топливопровод 15. Следует отметить, что датчик 23 давления топлива для детектирвоания давления топлива, проходящего вдоль высоконапорного топливопровода 15, предоставляется в высоконапорном топливопроводе 15.
[0017] Двигатель 1 интегрально управляется посредством модуля 20 управления двигателем (ECU). Таким образом, сигналы вводятся в ECU 20 из расходомера 24 воздуха для детектирования объема всасываемого воздуха, датчика 25 позиции акселератора для детектирования величины нажатия педали акселератора, датчика 26 угла поворота коленчатого вала, датчика 27 угла распределительного кулачка, датчика 28 температуры охлаждающей воды, переключателя 29 стартера и т.п., помимо датчика 21 воздушно-топливного соотношения выхлопных газов и датчика 23 давления топлива. ECU 20 управляет клапаном 6 впрыска топлива, свечами 7 зажигания, топливным насосом 14 и т.п. на основе этих сигналов.
[0018] Фиг. 5 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей справочный пример управляющей процедуры для объема впрыска топлива, момента впрыска и момента зажигания двигателя 1, описанного выше.
[0019] Когда водитель выполняет операцию запуска двигателя, чтобы включать переключатель стартера, ECU 20 запускает стартер на этапе S11. Таким образом, двигатель 1 начинает проворачивание коленчатого вала.
[0020] На этапе S12, ECU 20 различает цилиндр на основе значений детектирования датчика 26 угла поворота коленчатого вала и датчика 27 угла распределительного кулачка.
[0021] На этапе S13, ECU 20 считывает объем QM всасываемого воздуха, частоту NE вращения двигателя, давление Pf топлива, температуру Tw охлаждающей воды и число Ncyl циклов каждого цилиндра от первоначального возгорания. Следует отметить, что число Ncyl циклов каждого цилиндра может определяться из числа впрысков клапана 6 впрыска топлива, числа зажиганий свечи 7 зажигания и т.п.
[0022] На этапе S14 ECU 20 вычисляет целевой крутящий момент TTC согласно температуре Tw охлаждающей воды и частоте NE вращения двигателя. Например, табличные данные, в которых целевой крутящий момент TTC назначается температуре Tw охлаждающей воды и частоте NE вращения двигателя, как показано, сохраняются в ECU 20 заранее, и целевой крутящий момент TTC получается посредством обращения к этим табличным данным.
[0023] На этапе S15, ECU 20 вычисляет целевое воздушно-топливное соотношение TFBYA из целевого крутящего момента TTC и частоты NE вращения двигателя. Данные карты, как показано, в которых целевое воздушно-топливное соотношение TFBYA назначается частоте NE вращения двигателя и целевому крутящему моменту TTC, например, сохраняются в ECU 20, и целевое воздушно-топливное соотношение TFBYA вычисляется посредством обращения к этим данным карты. Следует отметить, что целевое воздушно-топливное соотношение TFBYA означает инверсию целевого коэффициента λ избытка воздуха.
[0024] На этапе S16, ECU 20 определяет то, переключен или нет переключатель стартера (STSW) из включенного в выключенное состояние. Обработка этапа S17 выполняется, если переключатель стартера переключен из включенного в выключенное состояние, тогда как обработка этапа S26 выполняется, если переключатель стартера поддерживается включенным.
[0025] На этапе S17, ECU 20 определяет то, выше или нет давление Pf топлива предварительно определенного давления LPf топлива. Следует отметить, что предварительно определенное значение LPf давления топлива, используемое здесь, задается в качестве значения давления топлива, при котором форма струи топлива, впрыскиваемой из клапана 6 впрыска топлива, деформируется, часть струи топлива непосредственно не достигает свечи 7 зажигания, и имеется вероятность случайного возгорания, и значения, определенного посредством проверки взаимосвязи между давлением топлива и струей в качестве характеристики клапана 6 впрыска топлива посредством эксперимента и т.п. заранее. Обработка этапа S18 выполняется, если Pf>LPf, тогда как обработка этапа S26 выполняется, если Pf≤LPf.
[0026] На этапе S18, ECU 20 вычисляет число Kcyl циклов управления увеличением температуры катализатора. Число Kcyl циклов управления увеличением температуры катализатора является числом циклов, которое должно быть достигнуто до тех пор, пока катализатор 11 очистки выхлопных газов не достигнет температуры TcatH активации, т.е. числом циклов, необходимым для управления увеличением температуры. В настоящем документе, взаимосвязь между температурой Tw0 воды в начальное время и числом Kcyl циклов управления увеличением температуры катализатора получается посредством эксперимента и т.п. и сохраняется в качестве табличных данных в ECU 20 заранее, и температура Tcat катализатора вычисляется посредством обращения к этим табличным данным без непосредственного измерения. В данном документе, Kcyl=0 задается в этой процедуре, если температура Tw0 воды в начальное время ниже предварительно определенной температуры LTw. Таким образом, управление увеличением температуры катализатора не выполняется. Следует отметить, что предварительно определенная температура LTw задается в качестве температуры, при которой определяется то, что сгорание на основе послойного заряда топлива не может выполняться вследствие проблемы стабильности сгорания.
[0027] На этапе S19, ECU 20 определяет то, ниже или нет текущее число Ncyl циклов числа Kcyl циклов управления увеличением температуры катализатора (Kcyl>Ncyl). Если Kcyl>Ncyl, обработка этапа S20 выполняется при условии присутствия запроса на увеличение температуры катализатора, и управление увеличением температуры катализатора выполняется так, как описано ниже (этапы S20-S24). С другой стороны, если Kcyl≤Ncyl, эта процедура завершается.
2
[0028] На этапе S20, ECU 20 вычисляет скорректированное воздушно-топливное соотношение TFBYA2. Это скорректированное воздушно-топливное соотношение TFBYA2 является суммой целевого воздушно-топливного соотношения TFBYA, требуемого для того, чтобы формировать целевой крутящий момент TTC, и количества несгоревших компонентов для выполнения "догорания". Здесь, чтобы эффективно увеличивать температуру выхлопных газов, количество CO и H, которые являются продуктами неполного сгорания, сформированными посредством основного сгорания, и количество остаточного кислорода, присутствующего после основного сгорания, должно быть сбалансировано. Таким образом, скорректированное воздушно-топливное соотношение TFBYA2 задается между 0,8 и 1,0.
[0029] На этапе S21, ECU 20 задает оптимальный момент ITex начала впрыска (от ранней фазы до средней фазы хода расширения) в ходе расширения из частоты NE вращения двигателя и целевого крутящего момента TTC с тем, чтобы выполнять сгорание на основе послойного заряда топлива посредством впрыска во время хода расширения для впрыска топлива в ходе расширения. Например, момент ITex начала впрыска задается посредством обращения к данным карты, в которых момент ITex начала впрыска назначается частоте NE вращения двигателя и целевому крутящему моменту TTC. Данные карты момента ITex начала впрыска, используемого здесь, представляют собой взаимосвязь частоты NE вращения двигателя и нагрузки на двигатель с оптимальным моментом ITex начала впрыска, полученным посредством эксперимента и т.п. и сохраненным в ECU 20 заранее.
[0030] На этапе S22, ECU 20 задает скорректированный объем Qfex впрыска топлива посредством умножения базового объема впрыска топлива (K*QM/NE; K является константой) на скорректированное целевое воздушно-топливное соотношение TFBYA2 и коэффициент Kco эффективности сгорания. Базовый объем впрыска топлива представляет собой объем впрыска топлива, эквивалентный стехиометрическому воздушно-топливному соотношению, определенному из объема QM всасываемого воздуха и частоты NE вращения двигателя. Коэффициент Kco эффективности сгорания умножается здесь вследствие необходимости учитывать эффективность сгорания топлива, поскольку часть подаваемого топлива используется для "догорания" во впрыске во время хода расширения, и общий объем топлива не преобразован в крутящий момент. Следует отметить, что взаимосвязь коэффициента Kco эффективности использования топлива с эффективностью сгорания и нагрузкой на двигатель, например, получается посредством эксперимента и т.п. и сохраняется в ECU 20 заранее, и коэффициент Kco эффективности использования топлива считывается посредством обращения к этой взаимосвязи. Дополнительно, дроссель (объем воздуха) регулируется согласно количеству сгорания, увеличенному с учетом эффективности сгорания, чтобы достигать целевого воздушно-топливного соотношения TFBYA.
[0031] Следует отметить, что во время сгорания на основе послойного заряда топлива посредством впрыска во время хода расширения, воздушно-топливная смесь поблизости от свечи 7 зажигания в момент зажигания имеет воспламеняемое воздушно-топливное соотношение, более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение. Дополнительно, во время сгорания на основе послойного заряда топлива посредством впрыска во время хода расширения, полное воздушно-топливное соотношение выхлопных газов предпочтительно управляется таким образом, что оно составляет величину от стехиометрического воздушно-топливного соотношения до бедного воздушно-топливного соотношения (A/F выхлопных газов=приблизительно 14,4-18).
[0032] На этапе S23, ECU 20 задает отношение Ksp разделения топлива, т.е. отношение предыдущего объема впрыскиваемого топлива для впрыска части топлива раньше к полному (скорректированному) объему Qfex топлива. Это отношение Ksp разделения топлива нормально задается равным значению приблизительно 0-0,3 (т.е. от 0% до 30%) хотя присутствует оптимальное значение, определенное посредством частоты NE вращения двигателя и нагрузки на двигатель. Здесь, отношение Ksp разделения топлива задается на основе экспериментального результата.
[0033] На этапе S24, ECU 20 вычисляет момент ADV зажигания посредством следующего способа.
[0034] Во-первых, получается значение TI преобразования угла поворота коленчатого вала (далее также просто называется "периодом впрыска") периода впрыска, необходимого для того, чтобы впрыскивать скорректированный объем Qfex впрыска топлива при давлении Pf топлива. Например, объем dQf впрыска (скорость впрыска) в единицу времени получается, и этот период TI впрыска получается из скорректированного объема Qfex впрыска топлива и скорости dQf впрыска посредством уравнения (1). Следует отметить, что характеристика скорости впрыска относительно давления Pf топлива клапана 6 впрыска топлива получается посредством эксперимента и т.п. и сохраняется в качестве табличных данных в ECU 20 заранее, и скорость dQf впрыска получается посредством обращения к этим табличным данным.
[0035] TI=Qfex/dQf*360*NE/60*C... (1),
где C является константой для преобразования единиц измерения.
[0036] Момент ADV зажигания вычисляется посредством уравнения (2) с использованием вычисленного TI момента впрыска и считанного момента ITex начала впрыска.
ADV=ITex+TI-Td... (2)
[0037] Здесь, Td является коэффициентом для согласования момента ADV зажигания таким образом, что зажигание может выполняться около самого конца струи и до поступления верхушки струи на поверхность стенки камеры 4 сгорания. Следует отметить, что оптимальные значения получаются посредством опыта и т.п., и их данные сохраняются в ECU 20 заранее, и этот коэффициент Td может получаться посредством обращения к этим данным каждый раз.
[0038] На этапе S25, ECU 20 впрыскивает топливо. Тем не менее, предыдущий объем впрыска топлива (= полный объем Qfex топлива * отношение Ksp разделения топлива) для топлива впрыскивается раньше во время хода впуска, и оставшийся объем (=Qfex*(1-Ksp)) топлива впрыскивается в момент ITex начала впрыска, заданный между начальной фазой и средней фазой хода расширения.
[0039] С другой стороны, на этапе S26, выполняемом, если переключатель статора поддерживается включенным на этапе S16, или если давление Pf топлива равно или меньше предварительно определенного значения LPf давления топлива на этапе S17, ECU 20 выполняет нормальное управление. Нормальное управление, упомянутое здесь, заключается в следующем.
[0040] Во-первых, случай, в котором переключатель стартера поддерживается включенным, представляет собой начальное время переходного режима, после которого возникает внезапное увеличение вращения. В этом случае, объем топлива, вычисленный из базового объема впрыска топлива, целевого воздушно-топливного соотношения, коррекции величины увеличения температуры воды, коррекций величины увеличения во время запуска и после запуска и т.п., впрыскивается в ходе впуска или во второй половине хода сжатия. Дополнительно, для хорошего увеличения вращения, момент ADV зажигания задается относительно больше к стороне опережения, чем момент зажигания в ходе нормального быстрого вращения на холостом ходу.
[0041] С другой стороны, даже после того, как переключатель стартера переключается из включенного в выключенное состояние, определяется вероятность случайного возгорания без части струи топлива, непосредственно достигающей свечи 7 зажигания, топливо впрыскивается во время хода впуска или хода сжатия, и момент ADV зажигания, например, задается как MBT (минимальное опережение для наилучшего крутящего момента) относительно частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель, несмотря на момент впрыска топлива, если давление Pf топлива равно или меньше предварительно определенного значения LPf давления топлива.
[0042] Фиг. 6 является диаграммой, показывающей состояние воздушно-топливной смеси в момент зажигания, ожидаемый, когда выполняется управляющая процедура, описанная выше. Как показано, предполагается, что воздушно-топливная смесь, имеющая воспламеняемое воздушно-топливное соотношение, более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение, формируется поблизости от свечи 7 зажигания посредством впрыска во время хода расширения в момент зажигания, и воздушно-топливная смесь, более бедная, чем стехиометрическая воздушно-топливная смесь, формируется за пределами упомянутой выше воздушно-топливной смеси посредством впрыска во время хода впуска. Чтобы улучшать воздействие температуры катализатора, увеличенной посредством "догорания", желательно выполнять зажигание с поздним моментом, так что выхлопной газ, имеющий более высокую температуру, выпускается из двигателя 1.
[0043] Топливо имеет общее свойство текучей среды в виде более легкого испарения при уменьшении давления. Другими словами, топливо имеет свойство более простого диспергирования при уменьшении давления в цилиндрах. Во время хода расширения, давление в цилиндрах снижается по мере того, как поршень 5 опускается. В частности, когда момент зажигания становится поздним, чтобы стимулировать увеличение температуры катализатора, топливо, впрыскиваемое в ходе расширения, более легко диспергируется, и становится затруднительным принудительно обеспечивать присутствие воспламеняемой воздушно-топливной смеси, более богатой, чем стехиометрическая воздушно-топливная смесь, как показано на фиг. 6, поблизости от свечи 7 зажигания в момент зажигания. Как результат, возрастает вероятность случайного возгорания. Как описано выше, управляющая процедура, описанная выше, имеет запас для улучшения с точки зрения обеспечения стабильности сгорания.
[0044] Соответственно, в настоящем варианте осуществления, управление, описанное ниже, выполняется для того, чтобы активировать катализатор очистки выхлопных газов на ранней стадии при обеспечении стабильности сгорания.
[0045] Во-первых, описывается ход мыслей, служащий в качестве основы для управления согласно настоящему варианту осуществления.
[0046] Топливо, впрыскиваемое посредством впрыска во время хода расширения, более легко диспергируется во второй половине хода расширения, как описано выше. Если зажигание выполняется после того, как концентрация воздушно-топливной смеси поблизости от свечи 7 зажигания снижается, стабильность сгорания нарушается.
[0047] Соответственно, в случае выполнения впрыска во время хода расширения, интервал Δt (далее также называется "интервалом впрыска и зажигания") от момента окончания впрыска топлива до момента зажигания сокращается таким образом, что зажигание выполняется до того, как концентрация воздушно-топливной смеси поблизости от свечи 7 зажигания снижается. Дополнительно, поскольку давление в цилиндрах снижается по мере того, как позиция поршня 5 понижается, и струя топлива легко диспергируется во время хода расширения, ΔT сокращается, когда момент зажигания становится поздним, как показано на фиг. 7.
[0048] Фиг. 8A и 8B являются временными диаграммами, показывающими взаимосвязь между интервалом Δt впрыска и зажигания и стабильностью сгорания. Фиг. 8A является диаграммой, когда топливо впрыскивается в относительно более ранний момент хода расширения (далее также называется "случаем раннего момента впрыска топлива"). Фиг. 8B является диаграммой, когда топливо впрыскивается в средней фазе хода расширения (далее также называется "случаем позднего момента впрыска топлива"). "Окно стабильного зажигания" на фиг. 8A и 8B означает диапазон момента зажигания, в котором получается хорошее сгорание. Таким образом, период, в течение которого концентрация воздушно-топливной смеси поблизости от свечи 7 зажигания практически достигает пика, представляет собой окно стабильного зажигания. Момент зажигания задается с возможностью включать в себя это окно стабильного зажигания.
[0049] Следует отметить, что хотя сравнение фиг. 8A и 8B показывает то, что момент впрыска топлива находится практически в идентичной позиции, это обусловлено тем, что варьирование каждого параметра в цилиндре и момента зажигания показаны на основе момента впрыска топлива, чтобы сравнивать абсолютную величину Δt, и фактический момент впрыска топлива находится больше на стороне опережения на фиг. 8A, чем на фиг. 8B. То же применимо также для момента зажигания, и момент Tit1 зажигания на фиг. 8A находится больше на стороне опережения, чем момент Tit2 зажигания на фиг. 8B.
[0050] Скорость потока газа поблизости от свечи 7 зажигания увеличивается с началом впрыска топлива на обоих из фиг. 8A и 8B и снижается после завершения впрыска топлива. Тем не менее, максимальное значение скорости потока больше, и период до тех пор, пока максимальное значение не будет достигнуто, и период до тех пор, пока скорость потока не будет снижена относительно максимального значения, меньше на фиг. 8B. Это обусловлено тем, что топливо впрыскивается в состоянии, в котором давление в цилиндрах является низким, когда момент впрыска топлива становится поздним, и газ более легко протекает со снижением давления в цилиндрах.
[0051] Эта разность текучести газа также затрагивает концентрацию воздушно-топливной смеси поблизости от свечи 7 зажигания и возмущения потока газа. Концентрация воздушно-топливной смеси поблизости от свечи 7 зажигания и возмущения потока газа более умеренно увеличиваются и более умеренно снижаются тогда, когда момент впрыска топлива является ранним (фиг. 8A), чем тогда, когда момент впрыска топлива является поздним (фиг. 8B). Таким образом, интервал между моментом окончания впрыска топлива и окном стабильного зажигания является большим тогда, когда момент впрыска топлива является ранним, чем тогда, когда момент впрыска топлива является поздним.
[0052] Как результат, если момент зажигания задается с использованием интервала Δt1 впрыска и зажигания для случая, в котором момент впрыска топлива является ранним, когда момент впрыска топлива является поздним, момент зажигания отклоняется от окна стабильного зажигания, как показано посредством пунктирной линии на фиг. 8B. Чтобы обеспечивать стабильность сгорания, когда момент впрыска топлива является относительно поздним, интервал впрыска и зажигания должен сокращаться до Δt2, как показано на фиг. 8B. Это позволяет сопоставлять взаимосвязь между интервалом Δt впрыска и зажигания и моментом зажигания, описанными со ссылкой на фиг. 7. Следует отметить, что хотя время, предоставленное для того, чтобы формировать воздушно-топливную смесь, становится короче по мере того, как интервал Δt впрыска и зажигания становится короче, отсутствует образование дыма, поскольку давления топливных насосов увеличиваются, и струя топлива тонко измельчается в последние годы.
[0053] Далее описывается конкретное содержимое управления согласно настоящему варианту осуществления.
[0054] Фиг. 9 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей управляющую процедуру согласно настоящему варианту осуществления. Как описано выше, управляющая процедура по фиг. 5 имеет запас для улучшения по моменту впрыска топлива и моменту зажигания во время управления увеличением температуры катализатора (этапы S20-S24). Соответственно, в настоящем варианте осуществления, момент впрыска топлива и момент зажигания управляются посредством управляющей процедуры по фиг. 9 вместо S20-S24 по фиг. 5.
[0055] На этапе S30 ECU 20 считывает целевой крутящий момент TTC и частоту NE вращения двигателя.
[0056] На этапе S31, ECU 20 определяет то, находится или нет катализатор 11 очистки выхлопных газов в активном состоянии, и определяет выполнять нормальное гомогенное сгорание на этапе S37, если катализатор 11 очистки выхлопных газов находится в активном состоянии. Нормальное гомогенное сгорание, упомянутое здесь, представляет собой режим сгорания для образования гомогенной стехиометрической воздушно-топливной смеси во всем цилиндре посредством впрыска во время хода впуска и выполнения зажигания во время хода сжатия.
[0057] Если катализатор 11 очистки выхлопных газов определяется как находящийся в неактивном состоянии на этапе S31, ECU 20 выполняет обработку этапа S32.
[0058] На этапе S32 ECU 20 определяет выполнять режим сгорания (сгорание на основе послойного заряда топлива во время хода расширения) для образования воздушно-топливной смеси с послойным зарядом топлива посредством впрыска во время хода расширения.
[0059] На этапе S33 ECU 20 считывает температуру Tw охлаждающей воды. Следует отметить то, что считывается здесь, должно представлять собой только температуру, коррелированную с температурой в цилиндрах. Например, может считываться температура масла.
[0060] На этапе S34 ECU 20 обновляет момент зажигания. Например, опорный момент зажигания для сгорания на основе послойного заряда топлива во время хода расширения, заданный заранее с допустимым запасом относительно предела стабильности сгорания, сдвигается к стороне запаздывания. Поскольку стабильность сгорания снижается по мере того, как температура в цилиндрах снижается, то, насколько сдвигается предел стабильности сгорания, определяется согласно температуре охлаждающей воды. Следует отметить, что опорный момент зажигания может задаваться посредством управляющей процедуры, отличающейся от этой управляющей процедуры, например, посредством этапов S20-S24 по фиг. 5.
[0061] На этапе S35 ECU 20 вычисляет запрашиваемое Δt. Запрашиваемое Δt означает интервал впрыска и зажигания, в который стабильность сгорания может обеспечиваться при сгорании на основе послойного заряда топлива во время хода расширения. Данные карты, в которых запрашиваемое Δ назначается объему всасываемого воздуха и моменту зажигания, как показано на фиг. 10, например, сохраняются в ECU 20, и запрашиваемое Δt вычисляется посредством обращения к этим данным карты. На фиг. 10, по мере того, как момент зажигания сдвигается к стороне запаздывания, и объем всасываемого воздуха снижается, запрашиваемое Δ становится короче. Запрашиваемое Δt становится короче по мере того, как момент зажигания сдвигается к стороне запаздывания, поскольку давление в цилиндрах снижается, и струя топлива легко диспергируется, когда момент зажигания становится поздним, как описано выше. Запрашиваемое Δt становится большим по мере того, как объем всасываемого воздуха увеличивается, поскольку объем впрыска топлива также увеличивается, и время, требуемое для дисперсии, становится большим по мере того, как объем всасываемого воздуха увеличивается. Следует отметить, что объем всасываемого воздуха может вычисляться из целевого крутящего момента и частоты вращения двигателя, или значение детектирования расходомера 24 воздуха может считываться на этапе S30.
[0062] На этапе S36 ECU 20 задает момент впрыска топлива посредством следующего способа.
[0063] Во-первых, момент окончания впрыска топлива (требуемый момент окончания момента впрыска) вычисляется из момента зажигания (требуемого момента зажигания), обновленного на этапе S34, и объема всасываемого воздуха. Взаимосвязь требуемого момента зажигания, требуемого момента окончания впрыска и объема всасываемого воздуха, например, получается посредством эксперимента и т.п. и сохраняется в качестве данных карты, как показано на фиг. 11, в ECU 20 заранее, и требуемый момент окончания впрыска вычисляется на основе требуемого момента зажигания и объема всасываемого воздуха.
[0064] Если используются требуемый момент окончания впрыска, вычисленный таким способом, и период впрыска топлива, полученный из объема впрыска топлива, момент начала впрыска топлива также получается. Следует отметить, что объем впрыска топлива задается, например, посредством технологии, аналогичной технологии этапов S22 и S23 по фиг. 5.
[0065] Затем ECU 20 начинает впрыск топлива в момент начала впрыска топлива, вычисляемый так, как описано выше.
[0066] Фиг. 12 является временной диаграммой, когда управление настоящим вариантом осуществления выполняется при холодном запуске двигателя 1. Здесь, предполагается, что режим холостого хода поддерживается после того, как двигатель 1 запущен во время 0.
[0067] С момента после холодного запуска, сгорание на основе послойного заряда топлива во время хода расширения выполняется для того, чтобы увеличивать температуру катализатора 11 очистки выхлопных газов. Согласно возрастанию температуры стенки цилиндра, момент зажигания постепенно сдвигается к стороне запаздывания, и момент окончания впрыска топлива также сдвигается к стороне запаздывания согласно этому. Запаздывание момента зажигания приводит к тому, что момент зажигания приближается к пределу стабильности сгорания. Тем не менее, поскольку момент окончания впрыска топлива задается таким образом, чтобы достигать интервала Δt впрыска и зажигания, описанного выше, может быть реализовано стабильное сгорание на основе послойного заряда топлива. Как результат, стабильность сгорания не превышает допустимый предел.
[0068] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, топливо впрыскивается в ходе расширения, и сгорание на основе послойного заряда топлива (послойное сгорание) выполняется посредством зажигания струи топлива, впрыскиваемой в ходе расширения в рабочем состоянии, чтобы способствовать возрастанию температуры катализатора 11 очистки выхлопных газов (в конкретном рабочем состоянии). В это время, ECU 20 задает интервал (Δt) между моментом впрыска топлива и моментом зажигания в ходе расширения короче, когда момент зажигания становится поздним.
[0069] Таким образом, зажигание может выполняться до того, как струя топлива поблизости от свечи 7 зажигания диспергируется, и может обеспечиваться стабильность сгорания для сгорания на основе послойного заряда топлива. В частности, можно реализовывать раннюю активацию катализатора 11 очистки выхлопных газов посредством сгорания на основе послойного заряда топлива при обеспечении стабильности сгорания.
[0070] Второй вариант осуществления
Далее описывается второй вариант осуществления. В настоящем варианте осуществления, чтобы дополнительно повышать стабильность сгорания для сгорания на основе послойного заряда топлива во время хода расширения, объем впрыска топлива в ходе расширения увеличивается, когда момент зажигания становится поздним, т.е. по мере того, как момент зажигания приближается к пределу воспламеняемости. Стабильность сгорания повышается посредством увеличения объема впрыска топлива в ходе расширения по следующей причине.
[0071] Во-первых, это обусловлено тем, что количество богатой и воспламеняемой воздушно-топливной смеси, остающейся поблизости от свечи 7 зажигания в момент зажигания, увеличивается по мере того, как объем впрыска топлива в ходе расширения увеличивается. Во-вторых, это обусловлено характеристиками впрыска клапана 6 впрыска топлива. Объем впрыска клапана 6 впрыска топлива, по существу, является пропорциональным ширине импульса активации впрыска (времени впрыска). Тем не менее, по мере того, как ширина импульса активации впрыска становится меньшей, линейность между шириной импульса активации впрыска и объемом впрыска теряется в очень короткой области по ширине импульса активации впрыска вследствие ограничений рабочих характеристик корпуса инжекторного клапана и схемы управления. Таким образом, по мере того, как ширина импульса активации впрыска становится большей, варьирование объема впрыска топлива становится меньшим, и стабильность сгорания повышается.
[0072] Фиг. 13 является блок-схемой последовательности операций способа, показывающей управляющую процедуру согласно настоящему варианту осуществления.
[0073] Этапы S40-S45 и S48 не описываются, поскольку они являются идентичными этапам S30-S35 и S37 по фиг. 9.
[0074] На этапе S46, ECU 20 задает момент впрыска для впрыска во время хода впуска. Во-первых, объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода впуска вычисляется, и момент начала впрыска топлива задается таким образом, чтобы заканчивать впрыск топлива во время хода впуска на основе означенного. Объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода впуска может вычисляться на основе полного объема Qfex топлива и отношения Ksp разделения топлива, например, как указано на этапе S23 по фиг. 5.
[0075] На этапе S47 ECU 20 задает момент впрыска для впрыска во время хода расширения. Во-первых, объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода расширения вычисляется, и момент впрыска топлива задается на его основе посредством технологии, аналогичной технологии этапа S36 по фиг. 9. Взаимосвязь между моментом зажигания и объемом впрыска топлива в ходе расширения, как показано на фиг. 14, например, получается и сохраняется в качестве табличных данных в ECU 20 заранее, и объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода расширения вычисляется посредством обращения к этим табличным данным. На фиг. 14, объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода расширения задается таким образом, что он не превышает объем впрыска топлива (пунктирная линия на фиг. 14), определенный из нормативного значения количества выбросов PM (РМ - твердые частицы).
[0076] Фиг. 15 обобщает взаимосвязь объема впрыска топлива посредством впрыска во время хода впуска и объема впрыска топлива посредством впрыска во время хода расширения с моментом зажигания в настоящем варианте осуществления. Как показано, объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода впуска является постоянным независимо от момента зажигания, тогда как объем впрыска топлива посредством впрыска во время хода расширения увеличивается по мере того, как момент зажигания сдвигается к стороне запаздывания, как описано выше.
[0077] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, поскольку ECU 20 увеличивает объем впрыска топлива посредством хода расширения, когда момент зажигания становится поздним, можно подавлять уменьшение концентрации воздушно-топливной смеси поблизости от свечи 7 зажигания в момент зажигания и повышать стабильность управления объемом впрыска топлива. Таким образом, может повышаться стабильность сгорания.
[0078] Третий вариант осуществления
Далее описывается третий вариант осуществления. В настоящем варианте осуществления, управляющая процедура по фиг. 13 по существу выполняется аналогично второму варианту осуществления, но способ для вычисления объема впрыска топлива посредством впрыска во время хода впуска на этапе S46 отличается. Содержимое обработки, отличное от содержимого этапа S46, не описывается, поскольку он является идентичным содержимому во втором варианте осуществления.
[0079] Фиг. 16 обобщает взаимосвязь объема впрыска топлива посредством впрыска во время хода впуска и объема впрыска топлива посредством впрыска во время хода расширения с моментом зажигания в настоящем варианте осуществления. Как показано, ECU 20 увеличивает объем впрыска топлива в ходе впуска таким образом, что воздушно-топливное соотношение для гомогенной воздушно-топливной смеси, сформированной во всем цилиндре посредством топлива, впрыскиваемого в ходе впуска, является более богатым, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение, когда момент зажигания является более поздним относительно предварительно определенного момента (ADV1 на фиг. 16). Следует отметить, что хотя объем впрыска во время хода впуска увеличивается по мере того, как момент зажигания становится более поздним относительно момента ADV1 зажигания на фиг. 16, объем впрыска топлива может задаваться равным фиксированному значению, большему на стороне запаздывания момента ADV1 зажигания, чем на стороне опережения.
[0080] Предварительно определенный момент является таким моментом зажигания, что достаточная скорость сгорания не может получаться, и стабильность сгорания не может обеспечиваться, даже когда воздушно-топливная смесь поблизости от свечи 7 зажигания, сформированная посредством впрыска во время хода расширения, зажигается, если воздушно-топливное соотношение для гомогенной воздушно-топливной смеси, сформированной во всем цилиндре посредством впрыска во время хода впуска, является более бедным, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение. Такой предварительно определенный момент отличается в зависимости от спецификаций двигателя 1 и задается на основе результата эксперимента и т.п.
[0081] Если воздушно-топливное соотношение для гомогенной воздушно-топливной смеси, сформированной во всем цилиндре посредством впрыска во время хода впуска, является более богатым, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение, пламя более легко распространяется, чем в случае, если это воздушно-топливное соотношение является более бедным, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение. В частности, даже если концентрация воздушно-топливной смеси с послойным зарядом топлива поблизости от свечи 7 зажигания в момент зажигания уменьшается посредством запаздывания момента зажигания, могут обеспечиваться стабильность сгорания и скорость сгорания.
[0082] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, объем впрыска топлива в ходе впуска увеличивается таким образом, что воздушно-топливное соотношение для гомогенной воздушно-топливной смеси, сформированной во всем цилиндре посредством топлива, впрыскиваемого в ходе впуска, является более богатым, чем стехиометрическое воздушно-топливное соотношение, если момент зажигания является более поздним относительно предварительно определенного момента. Таким образом, стабильность сгорания и скорость сгорания могут обеспечиваться, когда момент впрыска во время хода расширения и момент зажигания становятся поздними.
[0083] Следует отметить, что хотя интервал Δt впрыска и зажигания является интервалом от момента окончания впрыска топлива до момента зажигания в каждом из вышеописанных вариантов осуществления, ограничений на это нет. Поскольку каждый вариант осуществления основан на технической идее выполнять зажигание до того, как диспергируется воздушно-топливная смесь с послойным зарядом топлива поблизости от свечи 7 зажигания, интервал от момента начала впрыска топлива до момента зажигания может задаваться в качестве интервала Δt впрыска и зажигания.
[0084] Хотя выше описаны варианты осуществления настоящего изобретения, вышеописанные варианты осуществления представляют собой просто иллюстрацию некоторых примеров вариантов применения настоящего изобретения и не предназначены для того, чтобы ограничивать объем настоящего изобретения конкретными конфигурациями вышеописанных вариантов осуществления.