火花點火直噴式發動的製造方法

2023-09-19 17:20:10

火花點火直噴式發動的製造方法
【專利摘要】在發動機本體的工作狀態至少處於低負荷區域內的高負荷第一特定區域時，以及在發動機本體的工作狀態至少處於高負荷區域內的高負荷第二特定區域時，控制器都以30MPa以上的高燃料壓力至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向氣缸內噴射燃料。控制器還將第一特定區域內的EGR率設定得比第二特定區域內的EGR率高，並且讓第一特定區域內的燃料開始噴射時刻比第二特定區域內的燃料開始噴射時刻提前。
【專利說明】火花點火直噴式發動機

【技術領域】
[0001]這裡公開的技術涉及一種火花點火直噴式發動機。

【背景技術】
[0002]從提高火花點火式汽油發動機的理論熱效率這一方面來看，提高其幾何壓縮比是一有效的辦法。例如專利文獻I中記載了將幾何壓縮比設定在14以上的高壓縮比火花點火直噴式發動機。高壓縮比的發動機，當其工作區域處於低速域且包括最大負荷的高負荷域時容易爆燃。專利文獻I還記載了在低速高負荷域調節進氣閥的閉閥時間以降低有效壓縮比這樣的技術。因為能夠避免爆燃，所以能夠使點火時刻儘量提前，發動機扭矩提高。
[0003]例如，像在專利文獻2中所記載的那樣，作為能夠同時提高尾氣排放量和熱效率的技術，對稀薄混合氣進行壓縮點火的燃燒方式已為眾人所知。提高進行壓縮點火燃燒的發動機的幾何壓縮比，就要分別提高壓縮上止點壓力和壓縮上止點溫度，有利於實現壓縮點火燃燒的穩定化。另一方面，在低負荷一側工作區域，即使能夠進行壓縮點火燃燒，但隨著發動機的負荷提高，壓縮點火燃燒將變成壓力上升(dP/dt)的激烈過早點火。因此，從NVH(Noise Vibrat1n Harshness)帶來的限制來看,是難以將進行壓縮點火燃燒的區域朝著高負荷一側擴大的。因此，像在專利文獻2中所記載的那樣，即使是進行壓縮點火燃燒的發動機，一般在高負荷一側的工作區域，也不進行壓縮點火燃燒，而進行由火花塞驅動的火花點火燃燒。
[0004]專利文獻3記載了如下技術內容。根據發動機的工作狀態，在切換壓縮點火燃燒和火花點火燃燒的發動機中，在從壓縮點火燃燒朝著火花點火燃燒切換的切換過度期，通過將EGR氣體引入氣缸內，並且使空燃比大於比理論空燃比，來避免爆燃。
[0005]專利文獻1:日本公開特許公報2007-292050號公報
[0006]專利文獻2:日本公開特許公報2007-154859號公報
[0007]專利文獻3:日本公開特許公報2009-91994號公報


【發明內容】

[0008]一發明要解決的技術問題一
[0009]高壓縮比的火花點火式汽油發動機，在提高熱效率這一點上是有利的，但是存在以下問題:當發動機的工作狀態處於低速且中高負荷域時，容易導致過早點火、爆燃(例如尾氣爆燃)等異常燃燒。
[0010]進行壓縮點火燃燒的發動機受NVH的制約，要切換燃燒方式，以便在高負荷一側的工作區域進行火花點火燃燒，但是也有以下要求:儘量在高負荷一側進行尾氣排放量性能、熱效率皆優的壓縮點火燃燒。
[0011]這裡所公開的技術正是為解決所述問題而完成的。其目的在於:在幾何壓縮比設定在例如15以上較高的火花點火直噴式發動機中，既將在進行壓縮點火燃燒的區域朝著高負荷一側擴大，又避免進行火花點火燃燒的區域的異常燃燒。
[0012]—用於解決技術問題的技術方案一
[0013]過早點火是壓縮行程中伴隨著未燃混合氣被壓縮而產生的自我點火反應，爆燃是在混合氣的燃燒過程中，由於既燃部分膨脹而導致混合氣的未燃部分被壓縮，該壓縮引起的自我點火反應。現有的在進氣行程中噴射燃料的發動機，從開始噴射燃料到燃燒結束為止的這段時間即未燃混合氣的可反應時間較長。該較長的未燃混合氣的可反應時間是導致過早點火及/或爆燃這樣的異常燃燒的主要原因之一。本申請發明人發現了:如果在進行火花點火燃燒的區域內的高負荷域，在壓縮上止點附近的時刻以較高的燃料壓力向氣缸內噴射燃料，則能夠縮短未燃混合氣的可反應時間，這在避免異常燃燒這一點上是很有效。
[0014]本申請發明人還發現:在壓縮上止點附近的時刻以較高的燃料壓力向氣缸內噴射燃料這樣的所述噴射方式，在進行壓縮點火燃燒的區域內的高負荷區，在膨脹行程期間，能夠穩定地進行壓縮點火燃燒。而且，本申請發明人又發現:膨脹行程期間內的壓縮點火燃燒對於避免氣缸內急劇的壓力上升是有效的。由此而完成了這裡公開的技術。
[0015]具體而言，這裡公開的火花點火直噴式發動機包括:發動機本體，其構成為具有幾何壓縮比設定在15以上的氣缸、燃料噴射閥，其構成為向所述氣缸內噴射燃料、燃料壓力設定機構，其構成為設定由所述燃料噴射閥噴射的所述燃料的壓力、火花塞，其面對所述氣缸內部而設且對所述氣缸內的混合氣點火、排氣回流系統，其構成為將排出氣體引入所述氣缸內、以及控制器，其構成為通過控制至少所述燃料噴射閥、所述燃料壓力設定機構、所述火花塞以及所述排氣回流系統來讓所述發動機本體工作。
[0016]當所述發動機本體的工作狀態處於規定的低負荷區域時，所述控制器利用對所述氣缸內的混合氣進行壓縮點火的壓縮點火燃燒來讓所述發動機本體工作，並且當所述發動機本體的工作狀態處於負荷高於所述低負荷區域的高負荷區域時，所述控制器讓所述火花塞在規定的時刻工作以便利用火花點火燃燒讓所述發動機本體工作。當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述低負荷區域內的、包括所述低負荷區域和所述高負荷區域的交界的規定的第一特定區域時，所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，以便由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向所述氣缸內噴射燃料，並且，當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述高負荷區域內的、包括最大負荷的規定的第二特定區域時，所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，以便由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向所述氣缸內噴射燃料，並且在該燃料噴射結束後所述控制器對所述火花塞進行驅動，來對所述氣缸內的混合氣進行火花點火。
[0017]所述控制器，通過對所述排氣回流系統進行控制而將所述低負荷區域的所述第一特定區域內的EGR率設定成比所述高負荷區域的所述第二特定區域內的EGR率高，並且讓所述第一特定區域內的燃料開始噴射時刻比所述第二特定區域內的燃料開始噴射時刻提前，所述EGR率是所述排氣量在所述氣缸內的所有氣體量中所佔的比例。
[0018]這裡，可以將發動機本體的幾何壓縮比設定在15以上且例如20以下。
[0019]可以將「壓縮衝程後期」定義為將壓縮衝程分為初期、中期和後期這三個時期時的後期。同樣，可以將「膨脹衝程初期」定義為將膨脹衝程分為初期、中期和後期這三個時期時的初期。
[0020]排氣回流系統包括外部EGR系統和內部EGR系統。該外部EGR系統構成為讓排出氣體通過EGR通路回流到進氣一側。該內部EGR系統構成為將排出氣體封閉在氣缸內或者排到進氣口或噴到排氣口的排出氣體再次吸到氣缸內。
[0021]當發動機本體的工作區域處於相對的低負荷區域時，利用讓氣缸內的混合氣進行壓縮點火的壓縮點火燃燒讓發動機本體工作。因為發動機本體的幾何壓縮比設定在15以上的高壓縮比上，所以壓縮上止點壓力和壓縮上止點溫度提高。高壓縮上止點壓力和高壓縮上止點溫度使壓縮點火燃燒穩定化。
[0022]另一方面，壓縮點火燃燒隨著發動機本體的負荷升高而變成壓力急劇上升的燃燒。在上述結構下，在進行壓縮點火燃燒的低負荷區域內的第一特定區域，以至少30MPa以上的高燃料壓力至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向氣缸內噴射燃料。第一特定區域是包括低負荷區域和進行火花點火燃燒的高負荷區域的邊界的、所述低負荷區域內的高負荷一側的區域。
[0023]提高燃料壓力會增多每單位時間噴射的燃料量。在用同一燃料噴射量進行比較的情況下，與低燃料壓力相比，高燃料壓力會縮短向氣缸內噴射燃料的時間，亦即噴射期間。這對於縮短從開始噴射燃料到壓縮點火的時間有利。
[0024]高燃料壓力有利於將噴向氣缸內的霧狀燃料微粒化，並且伴隨著以高燃料壓力向氣缸內噴射燃料，會增強氣體的紊流，在處於壓縮上止點附近的氣缸內氣體的紊流能量升高。主要原因是，當活塞位於壓縮上止點附近時會提高氣缸內的霧狀燃料的混合性。由此而能夠迅速地形成比較均勻的可燃混合氣。
[0025]通過這樣至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向氣缸內噴射燃料，就能夠避免壓縮行程期間內的過早點火。而且，如上所述，因為在開始噴射燃料以後會迅速地形成比較均勻的可燃混合氣，所以該均勻混合氣會在壓縮上止點以後可靠地壓縮點火，在膨脹行程期間穩定地進行燃燒。在膨脹行程中，氣缸內壓力由於用電動機帶動發動機空轉(motoring)而逐漸降低，因此能夠抑制壓縮點火燃燒的壓力上升，就會成為緩慢的燃燒。
[0026]此外，第一特定區域的燃料噴射可以分割進行。在該情況下，只要分割進行的多次燃料噴射中至少一次，在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內較晚的時刻進行即可。
[0027]在低負荷區域的第一特定區域，利用對排氣回流系統進行控制將排出氣體(亦即EGR氣體)引入氣缸內。膨脹行程中的壓縮點火燃燒更加緩慢，對於避免急劇的壓力上升更加有利。這樣，就能夠解除第一特定區域內的NVH的制約，將進行壓縮點火燃燒的區域擴大到高負荷一側。
[0028]另一方面，發動機本體的工作區域處於相對的高負荷區域時，發動機本體利用對氣缸內的混合氣進行火花點火而燃燒的火花點火燃燒工作。在高負荷區域的包含最大負荷的高負荷第二特定區域，和所述第一特定區域一樣，以至少30MPa以上的高燃料壓力至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向氣缸內噴射燃料。燃料的噴射期間由於高燃料壓力而縮短，並且微粒化霧狀燃料的混合性提高，可燃混合氣在短時間內形成。此外也可以在第二特定區域以外的區域進行該特徵性的燃料噴射。
[0029]在燃料噴射結束後的規定時刻驅動火花塞而對氣缸內的混合氣進行火花點火。可以將點火時刻定在例如壓縮上止點以後的規定時刻。
[0030]如上所述，以高燃料壓力向氣缸內噴射燃料會提高氣缸內的紊流能量，但是通過讓燃料的噴射時刻在壓縮上止點附近，從開始噴射到火花點火這段時間就會縮短，而能夠在維持著高紊流能量的狀態下開始火花點火燃燒。這會加快火炎傳播從而縮短火花點火燃燒的燃燒期間。
[0031]就這樣，在進行火花點火燃燒的高負荷區域的第二特定區域以高燃料壓力且在壓縮上止點附近較晚的時刻向氣缸內噴射燃料，能夠縮短噴射期間、縮短混合氣形成期間以及燃燒期間。因為發動機本體的幾何壓縮比較高，所以該發動機容易在高負荷一側的第二特定區域發生過早點火、爆燃等異常燃燒。但是，上述結構，通過縮短將噴射期間、混合氣形成期間、以及燃燒期間合起來的混合氣的可反應時間，而能夠有效地避免過早點火、爆燃等異常燃燒。
[0032]當對低負荷區域的第一特定區域內的燃料噴射方式和高負荷區域的第二特定區域內的燃料噴射方式做了比較以後，低負荷區域的第一特定區域的燃料開始噴射時刻比高負荷區域的第二特定區域的燃料開始噴射時刻提前。這主要是因為低負荷區域的第一特定區域的EGR率和高負荷區域的第二特定區域的EGR率不同。也就是說，因為第一特定區域進行壓縮點火燃燒並且是負荷相對較低的低負荷區域，所以能夠將大量的EGR氣體引入氣缸內。因為能夠藉助大量的EGR氣體將燃燒緩慢化，所以能夠在可避免過早點火等異常燃燒的限度內使燃料噴射的開始時刻更早。其結果是，在第一特定區域，既能夠確保均勻混合氣的形成期間某種程度較長，提高點火性、燃燒穩定性，又能夠讓壓縮點火的時刻延遲到壓縮上止點以後，利用大量的EGR氣體使燃燒緩慢化，且能夠避免急劇的壓力上升。
[0033]相反，第二特定區域是進行火花點火燃燒並且負荷相對較高的高負荷區域。從火花點火燃燒的穩定性的觀點出發，因為不能夠將大量的EGR氣體引入氣缸內，所以優選在第二特定區域，通過儘量地延遲燃料噴射的開始時刻來避免異常燃燒。
[0034]這裡所公開的技術，包括:發動機本體，其構成為:具有幾何壓縮比設定在15以上的氣缸、和能夠往返移動地插在該氣缸內且在其冠面形成有凹狀腔室的活塞，燃料噴射閥，其構成為:當所述活塞位於壓縮上止點附近時，能夠向所述腔室內噴射燃料，燃料壓力設定機構，其構成為設定由所述燃料噴射閥噴射的所述燃料的壓力，火花塞，其面對所述氣缸內而設且對所述氣缸內的混合氣進行點火，排氣回流系統，其構成為將排出氣體引入所述氣缸內，以及控制器，其構成為通過控制至少所述燃料噴射閥、所述燃料壓力設定機構、所述火花塞以及所述排氣回流系統來讓所述發動機本體工作。
[0035]在所述發動機本體的工作狀態處於規定的低負荷區域時，所述控制器利用對所述氣缸內的混合氣進行壓縮點火的壓縮點火燃燒來讓所述發動機本體工作，並且當所述發動機本體的工作狀態處於負荷高於進行所述壓縮點火燃燒的所述低負荷區域的高負荷區域時，所述控制器讓所述火花塞在規定的時刻工作以便利用火花點火燃燒讓所述發動機本體工作。當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述低負荷區域內的、包括所述低負荷區域和所述高負荷區域的交界的規定的第一特定區域時，所述控制器對所述燃料壓力設定機構進行控制由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且在向所述活塞的所述腔室內噴射所述燃料的時刻所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動。並且，當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述高負荷區域內的、包括最大負荷的規定的第二特定區域時，所述控制器對所述燃料壓力設定機構進行控制由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且在向所述活塞的所述腔室內噴射所述燃料的時刻所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，並且在該燃料噴射結束後所述控制器對所述火花塞進行驅動，來對所述氣缸內的混合氣進行火花點火。
[0036]所述控制器，通過對所述排氣回流系統進行控制而將所述低負荷區域的所述第一特定區域內的EGR率設定成比所述高負荷區域的所述第二特定區域內的EGR率高，並且讓所述第一特定區域內的燃料開始噴射時刻比所述第二特定區域內的燃料開始噴射時刻提前，所述EGR率是所述排氣量在所述氣缸內的所有氣體量中所佔的比例。
[0037]在利用壓縮點火燃燒讓發動機本體工作的低負荷區域的第一特定區域，在以至少30MPa以上的高燃料壓力將燃料噴射到形成於活塞的冠面的腔室內的那一時刻對燃料噴射閥進行驅動。如上所述，高燃料壓力會縮短燃料的噴射期間，並且會促進霧狀燃料的微粒化。通過以較高的燃料壓力向腔室內噴射燃料，能夠增強腔室內的氣體流動，迅速地形成較均勻的混合氣。因為向腔室內噴射燃料的時刻相當於活塞位於壓縮上止點附近的那一時亥IJ，所以在壓縮上止點以後較均勻的混合氣會可靠地壓縮點火，在膨脹行程中穩定地燃燒。
[0038]因為在低負荷區域的第一特定區域將排出氣體引入氣缸內，所以膨脹行程中的壓縮點火燃燒變得更加緩慢，更有利於避免急劇的壓力上升。
[0039]就這樣解除了第一特定區域內的NVH的制約，因此所述結構有利於將進行壓縮點火燃燒的低負荷區域擴大到高負荷一側。
[0040]特別是，在該結構下，因為發動機本體的幾何壓縮比被設定為15以上的高壓縮t匕，所以當活塞在壓縮上止點附近時燃燒室的容積可以較小。在該時刻向腔室內噴射高燃料壓力燃料，會提高腔室內空氣的利用率，對於迅速形成均勻混合氣是有利的。也就是說，幾何壓縮比較高的發動機本體中，壓縮點火燃燒的點火性和穩定性提高。
[0041]在利用火花點火燃燒讓發動機本體工作的高負荷區域的第二特定區域，在以至少30MPa以上的高燃料壓力將燃料噴射到形成於活塞的冠面的腔室內的那一時刻對燃料噴射閥進行驅動。因此而會縮短燃料的噴射期間，並且會促進霧狀燃料的微粒化；腔室內的氣體流動會增強，會在短時間內形成可燃混合氣；因為在維持著腔室內的強紊流能量的情況下利用火花點火開始燃燒，所以燃燒期間縮短。其結果是，既能夠確保燃燒穩定性，又能夠有效地避免過早點火、爆燃等異常燃燒。
[0042]在進行火花點火燃燒的高負荷區域的第二特定區域，也是以高燃料壓力向腔室內噴射燃料，會提高腔室內空氣的利用率，在高几何壓縮比的發動機本體中有助於火花點火燃燒的穩定性。
[0043]在該結構下，也是在低負荷區域的第一特定區域將相對較多的EGR氣體引入氣缸內。這樣一來，就能夠使燃料噴射的開始時刻進一步提前，形成更加均勻的混合氣，既能夠提高點火性、燃燒穩定性，又能夠避免急劇的壓力上升。在高負荷區域的第二特定區域，將相對較少的EGR氣體引入氣缸內，另一方面，通過儘量地延遲燃料噴射的開始時刻即能夠避免異常燃燒。
[0044]可以是這樣的，所述排氣回流系統包括外部EGR系統和內部EGR系統，該外部EGR系統構成為經由使所述發動機本體的排氣通路和進氣通路連通的EGR通路讓所述排出氣體回流到所述氣缸內，該內部EGR系統利用對所述發動機本體的進氣閥和排氣閥進行的開關控制讓所述排出氣體回流到所述氣缸內。所述控制器，在所述低負荷區域的所述第一特定區域內經由所述外部EGR系統的EGR通路將已冷卻的所述排出氣體引入所述氣缸內。
[0045]因為第一特定區域是負荷較高的區域，所以氣缸內溫度變得比較高，壓縮點火燃燒的壓力上升變得急劇。於是，在該第一特定區域內，經由外部EGR系統的EGR通路將已冷卻的所述排出氣體引入所述氣缸內。因此而能夠抑制氣缸內溫度上升，避免過早點火等異常燃燒、壓縮點火燃燒的壓力急劇上升。
[0046]可以是這樣的，所述排氣回流系統構成為:能夠將所述排出氣體已被冷卻的冷EGR氣體、和溫度比所述冷EGR氣體高的熱EGR氣體引入所述氣缸內。所述控制器，在所述低負荷區域的所述第一特定區域內通過所述排氣回流系統至少將所述冷EGR氣體引入所述氣缸內。所述控制器，在所述低負荷區域且負荷低於所述第一特定區域的規定的最低負荷區域內通過所述排氣回流系統僅將所述熱EGR氣體引入所述氣缸內。
[0047]因此，與以上所述一樣，在負荷較高的第一特定區域，通過將冷EGR氣體引入氣缸內能夠避免過早點火等異常燃燒、壓縮點火燃燒的壓力急劇上升。相對於此，在負荷比第一特定區域低的規定最低負荷區域，僅將熱EGR氣體引入氣缸內。這對於提高氣缸內溫度，從而提高壓縮點火的點火性都是有利的。
[0048]可以是這樣的，所述控制器，在所述低負荷區域內的除所述第一特定區域以外的區域、以及所述高負荷區域內的規定轉速以上的高速域對所述燃料噴射閥進行驅動，以便至少在從進氣行程到所述壓縮行程中期這段時間內進行燃料噴射。
[0049]低負荷區域內的所述第一特定區域以外的區域是低負荷區域內的負荷較低的區域。在該區域，因為氣缸內溫度相對較低，所以原本就能夠避免壓縮點火燃燒造成的壓力急劇上升。於是，在該區域，至少在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內進行燃料噴射。在該情況下，在進氣流動較強的期間內噴射燃料，並且確保混合氣形成期間足夠長，因此會形成均勻的混合氣。因為在活塞位置遠離上止點時噴射燃料，所以氣缸內的空氣利用率也會提高。其結果是，能夠謀求壓縮點火的點火性提高、壓縮點火燃燒的穩定性提高。
[0050]在進行火花點火燃燒的高負荷區域內的規定轉速以上的高速域，也是至少在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內噴射燃料。其理由如下。也就是說，讓燃料噴射時刻延遲，對於避免在曲軸角旋轉同樣的角度所需要的時間長的發動機的低速域發生異常燃燒是有效的。但是，在發動機的高速域，因為曲軸角旋轉同樣的角度所需要的時間短，所以讓燃料的噴射時刻延遲而使未燃混合氣的可反應時間短縮的優點減少。如果讓燃料的噴射時刻延遲到壓縮上止點附近，那麼在壓縮行程中就會對比熱比較高的空氣進行壓縮，壓縮上止點溫度大幅度升高，對於爆燃不利。
[0051]於是，在高負荷區域的規定轉速以上的高速域，至少在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內噴射燃料。這樣一來，在壓縮行程中就會對包括燃料的氣體進行壓縮。因為該氣體的比熱比較低，所以能夠抑制溫度伴隨著氣缸內的氣體壓縮而上升，從而能夠將壓縮上止點溫度抑制得較低。其結果是，在高負荷區域的高速域會有效地避免異常燃燒。
[0052]可以是這樣的，所述控制器，在所述低負荷區域內的除所述第一特定區域以外的區域、以及所述高負荷區域內的在規定轉速以上的高速域，在向所述活塞的所述腔室外噴射噴向所述氣缸內的燃料的至少一部分的那一時刻對所述燃料噴射閥進行驅動。
[0053]噴向氣缸內的燃料的至少一部分被噴向活塞的腔室外的時刻是活塞位置離開壓縮上止點的時刻。這與在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內噴射燃料是等效的。
[0054]因此，通過在燃料的至少一部分在噴向活塞的腔室外的時刻噴射燃料，在低負荷區域內的除第一特定區域以外的、負荷較低的區域，既提高空氣利用率，又形成更均勻的混合氣，壓縮點火的點火性和壓縮點火燃燒的穩定性提高。在高負荷區域內的高速域，通過將壓縮上止點溫度抑制得較低，就能夠有效地避免異常燃燒。
[0055]可以是這樣的，至少在所述低負荷區域內的除所述第一特定區域以外的區域，所述控制器對所述燃料壓力設定機構進行控制而由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定成低於30MPa。
[0056]當在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內進行燃燒噴射時，不需要30MPa以上的高燃料壓力。因此，至少在低負荷區域內的除第一特定區域以外的區域將燃料壓力設定得較低。這樣做將有利於抑制為提高燃料壓力的能量，有利於降低耗油量。
[0057]可以是這樣的，所述燃料壓力設定機構包括由所述發動機本體驅動且能夠調節所述燃料的壓力的燃料泵。
[0058]這樣做以後，如上所述，在將燃料壓力設定得較低的區域燃料泵的驅動力降低了多少，就能夠使發動機本體的驅動力隨之降低多少，從而能夠謀求耗油量降低。
[0059]可以是這樣的，所述燃料噴射閥布置在所述氣缸的中心軸上，並且所述燃料噴射閥構成為能夠放射狀地噴射燃料。
[0060]因為在向氣缸內噴射燃料之際，多噴口型燃料噴射閥加強了氣缸內(或腔室內)氣體流動的紊流能，所以在將幾何壓縮比設定得較高，伴隨於此，活塞位於壓縮上止點時燃燒室容積較小的發動機本體，對於提高空氣利用率，充分發揮所述各作用效果是有利的。
[0061]一發明的效果一
[0062]如上所述，該火花點火直噴式發動機，在進行壓縮點火燃燒的低負荷區域的第一特定區域、和進行火花點火燃燒的高負荷區域的第二特定區域，分別以30MPa以上的高燃料壓力、至少在壓縮行程後期到膨脹行程初期這段時間內向氣缸內噴射燃料。這樣一來，就能夠避免在第一特定區域由於壓縮點火燃燒而導致壓力急劇上升，能夠將在進行壓縮點火燃燒的區域擴大到高負荷一側。另一方面，在第二特定區域能夠避免異常燃燒等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0063]【圖1】圖1是示出火花點火直噴式發動機結構的示意圖。
[0064]【圖2】圖2是與火花點火直噴式發動機的控制相關的方框圖。
[0065]【圖3】圖3是放大示出燃燒室的剖視圖。
[0066]【圖4】圖4是示出發動機工作區域之例的圖。
[0067]【圖5A】圖5A是在Cl模式下進行進氣行程噴射時燃料噴射時刻之一例、伴隨於此的Cl燃燒的產熱率的示例。
[0068]【圖5B】圖5B是在Cl模式下進行高壓點火滯後噴射時燃料噴射時刻之一例、伴隨於此的Cl燃燒的產熱率的示例。
[0069]【圖5C】圖5C是在SI模式下進行高壓點火滯後噴射時燃料噴射時刻和點火時刻之一例、伴隨於此的SI燃燒的產熱率的示例。
[0070]【圖圖是在SI模式下進行進氣行程噴射和高壓點火滯後噴射這樣的分割噴射時，燃料噴射時刻和點火時刻之一例、伴隨於此的SI燃燒的產熱率的示例。
[0071]【圖6】圖6是對高壓點火滯後噴射帶來的SI燃燒狀態和現有SI燃燒狀態進行比較的圖。
[0072]【圖7】圖7(a)示出氣缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖7(b)示出開始壓縮溫度與發動機負荷之間的關係，圖7(c)示出氧濃度與發動機負荷之間的關係，圖7(d)示出外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係。
[0073]【圖8】圖8(a)不出氣缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖8(d)不出外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係，圖8(e)示出排氣閥開關時刻與發動機負荷之間的關係，圖8(f)示出進氣閥開關時刻與發動機負荷之間的關係，圖8(g)示出進氣閥升程量與發動機負荷之間的關係。
[0074]【圖9】圖9(a)不出氣缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖9(d)不出外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係，圖9(h)節氣閥開度與發動機負荷之間的關係，圖9(i)示出EGR閥開度與發動機負荷之間的關係，圖9(j)示出EGR冷卻器旁路閥開度與發動機負荷之間的關係。
[0075]【圖10】圖10(a)示出氣缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖10(k)示出燃料的開始噴射時刻與發動機負荷之間的關係，圖10(1)不出燃料壓力與發動機負荷之間的關係，圖10(m)示出點火時刻與發動機負荷之間的關係。
[0076]【圖11】圖11是不出吸排氣閥的開關時刻與內部EGR率之間的關係的圖。
[0077]【圖12】圖12是示出規定轉速下EGR率和發動機負荷之間的關係的圖。
[0078]【圖13】圖13是示出構造與圖1不同的火花點火直噴式發動機的構造的示意圖。
[0079]【圖14】圖14是示出圖13所示火花點火直噴式發動機的排氣歧管的構造的側視圖。
[0080]【圖15】圖15是示出圖13所示火花點火直噴式發動機的排氣歧管所具有的獨立排氣通路的構造的側視圖。
[0081]【圖16】圖16示出圖13所示火花點火直噴式發動機的排氣歧管所具有的旁路通路的構造的側視圖。
[0082]【圖17】圖17是沿圖15中的A-A線剖開的剖視圖。
[0083]【圖18】圖18是與圖13所示火花點火直噴式發動機的控制相關的方框圖。
[0084]【圖19】圖19(a)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖19(b)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中該發動機中開始壓縮溫度與發動機負荷之間的關係，圖19(c)在圖13所示的火花點火直噴式發動機中氧濃度示出與發動機負荷之間的關係，圖19(d)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係。
[0085]【圖20】圖20(a)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖20 (d)不出在圖13所不的火花點火直噴式發動機中外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係，圖20(e)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中排氣閥開關時刻與發動機負荷之間的關係，圖20(f)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中進氣閥開關時刻與發動機負荷之間的關係，圖20(g)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中進氣閥升程量與發動機負荷之間的關係。
[0086]【圖21】圖21(a)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖21 (d)不出在圖13所不的火花點火直噴式發動機中外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係，圖21(h)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中節氣閥開度與發動機負荷之間的關係，圖21 (i)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中EGR閥開度與發動機負荷之間的關係，圖21 (j)示出在圖13所示的火花點火直噴式發動機中流通切換閥開度與發動機負荷之間的關係。
[0087]【圖22】圖22是示出與構造與圖2、圖18不同的火花點火直噴式發動機的控制相關的方框圖。
[0088]【圖23】圖23(a)示出在圖22所示的火花點火直噴式發動機中缸內的氣體組成與發動機負荷之間的關係，圖23 (d)不出在圖22所不的火花點火直噴式發動機中外部EGR在進氣中所佔的比例與發動機負荷之間的關係，圖23(e)示出在圖22所示的火花點火直噴式發動機中排氣閥開關時刻與發動機負荷之間的關係，圖23(f)示出在圖22所示的火花點火直噴式發動機中進氣閥開關時刻與發動機負荷之間的關係，圖23(g)示出在圖22所示的火花點火直噴式發動機中進氣閥升程量與發動機負荷之間的關係。
[0089]【圖24A】圖24A是示出進氣閥和排氣閥在從最低負荷到負荷Tl這一負荷區域內的開閥特性的圖。
[0090]【圖24B】圖24B是示出進氣閥和排氣閥在從負荷Tl到T3這一負荷區域內的開閥特性的圖。
[0091]【圖24C】圖24C是示出進氣閥和排氣閥在從負荷T3到T5這一負荷區域內的開閥特性的圖。
[0092]【圖24D】圖24D是示出進氣閥和排氣閥在從負荷T5到T6這一負荷區域內的開閥特性的圖。
[0093]【圖24E】圖24E是示出進氣閥和排氣閥在超過負荷T6的高負荷區域內的開閥特性的圖。

【具體實施方式】
[0094]下面，參照附圖對火花點火直噴式發動機的實施方式進行說明。以下優選實施方式是示例。圖1、圖2示出發動機(發動機本體)I的簡略構造。該發動機I是火花點火式汽油發動機，安裝在車輛上，並且將至少含汽油的燃料供向該發動機I。發動機I具有:設置有多個氣缸18的氣缸體11 (此外，圖1中僅示出一個氣缸，例如四個氣缸直列設置)、設置在該氣缸體11上的氣缸蓋12、以及設置在該氣缸體11下側且貯存有潤滑油的油底殼13。活塞14嵌插在各氣缸18內能夠做往復運動，活塞14經由連杆142與曲軸15相連結。如圖3放大所示，在活塞14的頂面上形成有形狀與柴油發動機的凹形燃燒室一樣的腔室141。當活塞14位於壓縮上止點附近時，腔室141與後述的燃料噴射器67相對。氣缸蓋12、氣缸18、具有腔室141的活塞14對燃燒室11進行劃分。此外，燃燒室19的形狀並不限於圖示之例。例如，腔室141的形狀、活塞14的頂面形狀以及燃燒室19頂部的形狀等都可以適當地做改變。
[0095]出於提高理論熱效率以及實現後述的壓縮點火燃燒的穩定化等目的，將該發動機I的幾何壓縮比設定在15以上，較高。此外，幾何壓縮比可以在15以上20以下左右的範圍內適當地做改變。
[0096]每一個氣缸18都在氣缸蓋12上形成有進氣口 16和排氣口 17，並且在這些進氣口16上設置有將燃燒室19側的開口打開、關閉的進氣閥21，在這些排氣口 17上設置有將燃燒室19側的開口打開、關閉的排氣閥22。
[0097]在排氣側設置有可變機構(以下稱為VVL(Variable Valve Lift)) 71 (參照圖2)，該可變機構71是將排氣閥22的工作模式切換為正常模式和特殊模式的、例如油壓工作式機構。VVL71的詳細結構省略圖示，該VVL71包括具有一個凸輪尖(cam nose cam lobe)的第一凸輪和具有兩個凸輪尖的第二凸輪的凸輪輪廓不同的兩種凸輪、以及有選擇地將第一凸輪與第二凸輪中任一凸輪的工作狀態傳遞給排氣閥的空轉機構。在將第一凸輪的工作狀態傳遞給排氣閥22時，排氣閥22在在排氣衝程中僅打開一次的正常模式下工作，相對於此，在將第二凸輪的工作狀態傳遞給排氣閥22時，排氣閥22在在排氣衝程中打開且在進氣衝程中也打開的、所謂的排氣閥打開兩次這樣的特殊模式下工作。VVL71的正常模式和特殊模式根據發動機的工作狀態進行切換。具體而言，特殊模式在進行與內部EGR相關的控制之際使用。在以下說明中，有時候，將讓VVL71在正常模式下工作，排氣閥不打開兩次這一情況稱為「將VVL71接通(ON) 」 ;將讓VVL71在特殊模式下工作、排氣閥打開兩次這一情況稱為「將VVL71切斷(off)」。此外，還可以採用能夠在這樣的正常模式和特殊模式之間進行切換，由電磁執行元件驅動排氣閥22那樣的電磁驅動式氣門傳動系。內部EGR的執行並非僅能靠排氣閥打開兩次才可以實現。例如，既可以將進氣閥21打開兩次，通過讓進氣閥打開兩次來對內部EGR進行控制，也可以通過設定在排氣衝程和進氣衝程中將進氣閥21和排氣閥22都關閉的負重合時間來進行讓既燃氣體殘留在氣缸18內那樣的內部EGR控制。
[0098]與具有VVL71的排氣側氣門傳動系相比，在進氣側設置有:被稱為能夠改變進氣凸輪軸相對於曲軸15的旋轉相位的變相位機構(以下稱為VVT(VariableValve Timing)) 72、能夠連續地改變進氣閥21的升程量的連續變升程機構(以下稱為CVVL(Continuously Variable Valve Lift)) 73,如圖 2 所不。VVT72 只要適當地米用液壓式、電磁式或機械式公知構造即可，其詳細結構的圖示省略。CVVL73也可以適當地採用公知的各種構造，其詳細結構的圖示省略。能夠利用VVT72和CVVL73改變進氣閥21的開閥時亥IJ、關閥時刻以及升程量。
[0099]在每一個氣缸18的氣缸蓋12上都設置有將燃料直接噴射到氣缸18內的燃料噴射器(injeCtor)67。如圖3放大所示，燃料噴射器67被設置成其噴口從燃燒室19頂面中央部分指向該燃燒室19的內部。燃料噴射器67在根據發動機I的工作狀態設定的噴射時刻將噴射量與發動機I的工作狀態相對應的燃料直接噴到燃燒室19內。在該例中，雖然燃料噴射器67的詳情省略圖示，但該燃料噴射器67是具有多個噴口的多噴口式燃料噴射器。因此，燃料噴射器67是以霧狀燃料從燃燒室19的中央部分放射狀地擴展的方式進行燃料噴射。如圖3中箭頭所示，從燃燒室19的中央部分放射狀擴展著噴射出的霧狀燃料在活塞14位於壓縮上止點附近的時刻沿著形成在活塞頂面的腔室141的壁面流動。換句話說，所形成的腔室141保證將在活塞14位於壓縮上止點附近的時刻噴射出的霧狀燃料收進其內部。該多噴口式燃料噴射器67和腔室141相結合的構造，對於縮短燃料噴射後形成混合氣的時間和縮短燃燒期間這兩方面來說都是有利的。此外，燃料噴射器67並不限於該多噴口式，採用外開閥式燃料噴射器也是可以的。
[0100]未圖示的燃料箱和燃料噴射器67經由燃料供給路徑相互連接起來。該燃料供給路徑上設置有燃料供給系統62，該燃料供給系統62包括燃料泵63和高壓共軌(commonrail) 64，能夠以較高的燃料壓力將燃料供向燃料噴射器67。燃料泵63將燃料從燃料箱壓送到高壓共軌64，該高壓共軌64以較高的燃料壓力將壓送來的燃料儲存起來。燃料噴射器67通過打開閥而將儲存在高壓共軌64內的燃料從燃料噴射器67的噴口噴射出來。這裡，省略圖示燃料泵63，但它是柱塞式的，由發動機I驅動。結構上包括發動機驅動泵的燃料供給系統62能夠將燃料壓力在30MPa以上的高壓燃料供向燃料噴射器67。可以將燃料壓力設定在120MPa以上。如後所述，根據發動機I的工作狀態改變供向燃料噴射器67的燃料的壓力。此外，燃料供給系統62並不限於該結構。
[0101]如圖3所示，氣缸蓋12上還安裝有對燃燒室19內的混合氣進行點火的火花塞25。在該例中，該火花塞25從發動機的排氣一側朝著斜下方延伸，穿過氣缸蓋12。如圖3所示，火花塞25的頂端對著位於壓縮上止點的活塞14的腔室141而設。
[0102]如圖1所示，進氣通路30以與各氣缸18的進氣口 16連通的方式連接在發動機I的一側面上。另一方面，將來自各氣缸18的燃燒室19內的既燃氣體(尾氣)排出去的排氣通路40連接在發動機I的另一側面上。
[0103]在進氣通路30的上遊端部設置有對吸入空氣進行過濾的空氣濾清器31。在進氣通路30的下遊端附近設置有穩壓罐(surge tank) 33。將位於該穩壓罐33的下遊側的進氣通路30確定為分支給每一個氣缸18的獨立通路，各獨立通路的下遊端分別與各氣缸18的進氣口 16相連接。
[0104]在進氣通路30上的空氣濾清器31和穩壓罐33之間設置有將空氣冷卻或者加熱的水冷式中間冷卻器/加熱器34、以及調節對各氣缸18的吸入空氣量的節氣閥36。將中間冷卻器/加熱器34旁路的中間冷卻器旁路通路35與進氣通路30相連接。在該中間冷卻器旁路通路35上設置有用於調節通過該通路35的空氣流量的中間冷卻器旁路閥351。通過調節中間冷卻器旁路閥351的開度來調節通過中間冷卻器旁路通路35的空氣流量和通過中間冷卻器/加熱器34的空氣流量之比，就能夠調節引入氣缸18內的新空氣的溫度。
[0105]排氣通路40的上遊側部分由排氣歧管構成，該排氣歧管具有為每一個氣缸18分支且與排氣口 17外側端相連接的獨立通路、和該各獨立通路集合在一起的集合部。在排氣通路40的比排氣歧管更靠近下遊的下遊一側連接有位於發動機附近的催化裝置41和位於駕駛員腳下的腳下催化裝置(underfoot catalyst) 42,它們都是對尾氣中的有害成分進行淨化的尾氣淨化裝置。發動機附近的催化裝置41和駕駛員腳下的腳下催化裝置42分別包括筒狀殼和布置在該殼內的流路上的例如三效催化劑。
[0106]穩壓罐33和節氣閥36之間的那部分進氣通路30和比發動機附近的催化裝置41更靠近上遊側的那部分排氣通路40，通過用於讓一部分尾氣回流到進氣通路30的EGR通路50相連接。該EGR通路50由主通路51和EGR冷卻器旁路通路53構成，在該主通路51上布置有用發動機冷卻水對尾氣進行冷卻的EGR冷卻器52，該EGR冷卻器旁路通路53用於將EGR冷卻器52旁路。主通路51上設置有用於調節回流到進氣通路30內的尾氣回流量的EGR閥511，在EGR冷卻器旁路通路53上設置有EGR冷卻器旁路閥531，該EGR冷卻器旁路閥531用於調節流過EGR冷卻器旁路通路53的尾氣的流量。
[0107]按以上所述構成的發動機I由動力控制模塊(以下稱為PCM) 10控制。PCMlO由具有CPU、存儲器、計時器組、接口以及連接這些單元的總線的微處理器構成。該PCMlO構成控制器。
[0108]如圖1、圖2所示，各種傳感器SWl?SW16的檢測信號輸入PCMlO。該各種傳感器包括以下傳感器。這些傳感器是:在空氣濾清器31的下遊側檢測新氣流量的空氣流量傳感器SWl和檢測新氣溫度的進氣溫度傳感器SW2、設置在中間冷卻器/加熱器34下遊側且檢測通過中間冷卻器/加熱器34後的新氣溫度的第二進氣溫度傳感器SW3、設置在EGR通路50的與進氣通路30相連接的連接部附近且檢測外部EGR氣體溫度的EGR氣體溫度傳感器SM、安裝在進氣口 16處且檢測即將流入氣缸18內的進氣溫度的進氣口溫度傳感器SW5、安裝在氣缸蓋12上且檢測氣缸18內的壓力的缸內壓力傳感器SW6、設置在排氣通路40的與EGR通路50相連接的連接部附近且分別檢測排氣溫度和排氣壓力的排氣溫度傳感器SW7和排氣壓力傳感器SW8、設置在發動機附近的催化裝置41的上遊側且檢測排氣中的氧濃度的線性02傳感器SW9、設置在發動機附近的催化裝置41和腳下催化裝置42之間且檢測排氣中的氧濃度的λ式02傳感器SW10、檢測發動機冷卻水的溫度的水溫傳感器SW11、檢測曲軸15的旋轉角的曲軸角傳感器SW12、檢測與車輛踏板(圖示省略)的操作量相對應的油門開度的油門開度傳感器SW13、進氣側和排氣側的凸輪角傳感器SW14、SW15、以及安裝在燃料供給系統62的高壓共軌64上且檢測供向燃料噴射器67的燃料的壓力的燃料壓力傳感器 SW16。
[0109]PCMlO通過根據這些檢測信號進行各種運算來判斷發動機1、車輛的狀態，再根據該判斷結果將控制信號輸出給燃料噴射器67、第二火花塞25、進氣閥一側的VVT72和CVVL73、排氣閥一側的VVL71、燃料供給系統62以及各種閥(例如節氣閥36、中間冷卻器旁路閥351、EGR閥511以及EGR冷卻器旁路閥531)的執行元件。PCMlO就這樣讓發動機I工作。
[0110]圖4示出發動機I工作區域之一例。該發動機I出於降低耗油量、提高尾氣排放性能的目的，在發動機負荷相對較低的低負荷區，不用火花塞25點火，而進行靠壓縮自我點火進行燃燒的壓縮點火燃燒。但是，隨著發動機I負荷的提高，壓縮點火燃燒的燃燒會變得過於劇烈，而會引起例如燃燒噪音等問題。因此，該發動機I在發動機負荷相對較高的高負荷域，讓壓縮點火燃燒停止，切換為用火花塞25進行的火花點火燃燒。發動機I構成為:在根據發動機I的工作狀態特別是發動機I的負荷進行壓縮點火燃燒的壓縮點火Cl (Compress1n Ignit1n)模式、和進行火花點火燃燒的火花點火SI (Spark Ignit1n)模式之間進行切換。但是，模式切換的交界線並不限於圖中所示之例。
[0111]進一步根據發動機負荷的高低將Cl模式分為三個區域。具體而言，在Cl模式下負荷最低的區域(I)，為提高壓縮點火燃燒的點火性和穩定性，將溫度相對較高的熱EGR氣體引入進氣缸18內。將VVL71接通(ON)，讓排氣閥22進行在進氣行程中打開的排氣閥打開兩次，由此來進行上述工作，詳情後述。熱EGR氣體的引入對於提高氣缸18內的壓縮上止點溫度，在輕負荷即區域⑴提高壓縮點火燃燒的點火性和穩定性是有利的。如圖5A所示，在區域(I)，至少在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內，由燃料噴射器67向氣缸18內噴射燃料，由此形成均勻的稀薄混合氣。可以將混合氣的空氣過剩率λ設定在例如2.4以上。這樣設定以後，就能夠抑制RawNOx的生成，從而能夠提高尾氣排放性能。如圖5Α所示，該濃混合氣在壓縮上止點附近進行壓縮自我點火。
[0112]詳情後述，在區域(I)中的負荷較高的區域，具體而言，在包括區域(I)和區域(2)的交界的區域，至少在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內向氣缸18內噴射燃料，但是將混合氣的空燃比設定為理論空燃比(λ?I)。將混合氣的空燃比設定為理論空燃比以後，既能夠使用三效催化劑，同時如後所述，能夠將對SI模式和Cl模式的切換進行的控制簡單化，而且，還能夠對將Cl模式擴大到高負荷一側做出貢獻。
[0113]在Cl模式下，在負荷比區域⑴高的區域(2)，與區域(I)的高負荷一側一樣至少在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內向氣缸18內噴射燃料(參照圖5Α)，形成均勻的為理論空燃比(λ?I)的混合氣。
[0114]在區域(2)，因為氣缸18內的溫度伴隨著發動機負荷的上升自然地升高，所以為避免過早點火而讓熱EGR氣體量減少。這是通過調節引入氣缸18內的內部EGR氣體量來進行的，詳情後述。通過調節對EGR冷卻器52進行旁路的外部EGR氣體量，熱EGR氣體量也會得到調節。
[0115]在區域(2)，將溫度相對較低的冷EGR氣體引入氣缸18內。通過這樣以適當的比例將高溫熱EGR氣體和低溫冷EGR氣體引入氣缸18內，來適當地確定氣缸18內的壓縮上止點溫度，則既能夠確保壓縮點火的點火性，又能夠避免劇烈的燃燒，以謀求壓縮點火燃燒的穩定化。此外，在將混合氣的空燃比設定為λ ^ I的條件下儘可能地將EGR率設定得較高，該EGR率是被引入氣缸18內的熱EGR氣體和冷EGR氣體合在一起的EGR氣體的比例。因此，在區域(2)，因為燃料噴射量伴隨著發動機負荷増大而增大，所以EGR率逐漸降低。
[0116]在包括Cl模式和SI模式的切換交界線的、Cl模式下負荷最高的區域(3)，因為氣缸18內的壓縮上止點溫度進一步升高，所以如果像在區域(I)、區域(2)那樣，在從進氣行程到壓縮行程中期這段時間內向氣缸18內噴射燃料，就會引起過早點火等異常燃燒。另一方面，如果大量地引入溫度較低的冷EGR氣體而讓氣缸內的壓縮上止點溫度降低，壓縮點火的點火性就會惡化。也就是說，僅對氣缸18內的溫度進行控制難以穩定地進行壓縮點火燃燒，所以在該區域(3)，不僅對氣缸18內的溫度進行控制，還對燃料噴射方式做了改進，由此來避免過早點火等異常燃燒，謀求壓縮點火燃燒的穩定化。具體而言，與現有技術相比，該燃料噴射方式，以大幅度地高壓力化了的燃料壓力，在如圖5Β所示，至少在從壓縮行程後期到膨脹行程初期的這段時間內(以下，稱這段時間為點火滯後期間)內，向氣缸18內噴射燃料。在以下說明中，將該特徵性的燃料噴射方式稱為「高壓點火滯後噴射」或簡單地稱為「點火滯後噴射」。這樣的高壓點火滯後噴射，既能夠避免在區域(3)發生的異常燃燒，又能夠謀求壓縮點火燃燒的穩定化。有關該高壓點火滯後噴射的詳細情況後述。
[0117]和區域⑵一樣，在區域(3)以適當的比例將高溫熱EGR氣體和低溫冷EGR氣體引入氣缸18內。這樣來適當地設定氣缸18內的壓縮上止點溫度，以謀求壓縮點火燃燒的穩定化。
[0118]針對根據發動機負荷的高低分為三個區域的Cl模式，SI模式根據發動機轉速的高低分為區域(4)和區域(5)這兩個區域。圖例中，區域(4)相當於將發動機I的工作區域分為低速、高速兩個區域時的低速域，區域(5)相當於高速域。區域(4)和區域(5)的交界線在圖4所示的工作區域中，相對於負荷軸朝著轉速方向傾斜，但是區域(4)和區域(5)的交界之例不限於圖中所示。
[0119]與區域⑵和區域(3) —樣，在區域(4)和區域(5)各區域，混合氣被設定為理論空燃比(λ?I)。因此，混合氣的空燃比跨越Cl模式和SI模式的交界被固定在理論空燃比(λ?I)上。這樣就有可能使用三效催化劑。在區域(4)和區域(5)，詳情後述，基本上將節氣閥36完全打開，另一方面，通過調節EGR閥511的開度來調節引入氣缸18內的新氣量和外部EGR氣體量。這樣調節引入氣缸18內的氣體比例能夠降低泵損失，而且通過將大量的EGR氣體引入氣缸18內，還能夠將火花點火燃燒的燃燒溫度抑制得較低，也能夠謀求冷卻損失的減少。在區域(4)和區域(5)，將主要通過EGR冷卻器52而被冷卻的外部EGR氣體引入氣缸18內。這既有利於避免異常燃燒，又有利於抑制Raw NOx的生成。此外，在最大負荷域，將EGR閥511關閉來讓外部EGR變成O。
[0120]如上所述，該發動機I的幾何壓縮比被設定在15以上(例如18)。因為較高的壓縮比使壓縮上止點溫度和壓縮上止點壓力升高，所以在Cl模式下的特別是低負荷區域(例如區域(I))，對壓縮點火燃燒的穩定化有利。另一方面，該高壓縮比發動機I在高負荷域即SI模式下，存在產生過早點火、爆燃等異常燃燒這樣的問題。
[0121]因此，該發動機1，在SI模式下的區域(4)、區域(5)是通過進行所述高壓點火滯後噴射來避免異常燃燒的。更詳細而言，在區域(4)，如圖5C所示，以30MPa以上的高燃料壓力在從壓縮行程後期到膨脹行程初期這一點火滯後期間內，僅進行向氣缸18內噴射燃料的高壓點火滯後噴射。相對於此，在區域(5)，如圖所示，在進氣閥21打開的進氣行程期間內向氣缸18內噴射要噴射燃料的一部分，並且在點火滯後期間內向氣缸18內噴射剩餘的燃料。也就是說，在區域(5)進行燃料的分割噴射。這裡，進氣閥21打開的進氣行程期間，不是根據活塞位置定義的期間，而是根據進氣閥的開關定義的期間。這裡所說的進氣行程是由CVVL73、VVT72改變的進氣閥21的關閉時刻與活塞到達進氣下止點的時刻錯開的情況。
[0122]接下來，參照圖6對SI模式下的高壓點火滯後噴射做說明。圖6是對利用所述高壓點火滯後噴射進行的SI燃燒(實線)、現有的在進氣行程中進行燃料噴射的SI燃燒(虛線)的、產熱率(上圖)和未燃混合氣反應進行度(下圖)的不同點進行比較的圖。圖6的橫軸表示曲軸角。作為該比較的前提，發動機I的工作狀態都在高負荷低速域(亦即區域(4))，噴射的燃料量在利用高壓點火滯後噴射進行的SI燃燒和現有的SI燃燒的情況下彼此相同。
[0123]首先，在現有的SI燃燒下，在進氣行程中向氣缸18內噴射規定量的燃料(上圖中的虛線)。在燃料噴射後，活塞14到達壓縮上止點的那段時間內，在氣缸18內形成了比較均勻的混合氣。並且，在該例中，在壓縮上止點以後的圓圈表示的規定的時刻點火，燃燒由此而開始。燃燒開始後，如在圖6中的上圖中虛線所示的那樣，燃燒通過產熱率的峰值後結束。從開始噴射燃料到燃燒結束這段時間相當於未燃混合氣的可反應時間(以下，有時候簡稱為可反應時間)。如在圖6的下圖中長虛線所示，在該時間段內未燃混合氣的反應不斷地進行下去。該圖中的短虛線示出了未燃混合氣實現點火時的反應度即點火閾值，現有的SI燃燒與低速域相結合，可反應時間非常長，在這段時間內，未燃混合氣的反應繼續進行，所以在點火前後未燃混合氣的反應度超過了點火閾值，引起了過早點火或者爆燃等異常燃
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[0124]相對於此，高壓點火滯後噴射的目的在於縮短可反應時間，由此來避免異常燃燒。也就是說，圖6中也示出，可反應時間是燃料噴射器67噴射燃料的期間((I)噴射期間)、噴射結束後到在火花塞25周圍形成可燃混合氣的期間((2)混合氣形成期間)、以及到通過點火而開始的燃燒結束的期間((3)燃燒期間)合在一起的時間，亦即(1) + (2) + (3)。高壓點火滯後噴射會將噴射期間、混合氣形成期間以及燃燒期間分別縮短，由此來縮短可反應時間。依次對此做說明。
[0125]首先，高燃料壓力會使每單位時間從燃料噴射器67噴射的燃料量相對較多。因此，在使燃料噴射量一定的情況下，燃料壓力和燃料的噴射期間之間的關係大致是燃料壓力越低，噴射期間越長；燃料壓力越高，噴射期間越短。因此，所設定的燃料壓力大幅度地高出現有技術的聞壓點火滯後噴射會縮短噴射期間。
[0126]高燃料壓力有利於將噴射到氣缸18內的霧狀燃料微粒化，而且還會使霧狀燃料的飛翔距離更長。因此，燃料壓力和燃料蒸發時間之間的關係大致是燃料壓力越低，燃料蒸發時間越長；燃料壓力越高，燃料蒸發時間越短。燃料壓力和到霧狀燃料到達火花塞25周圍的時間之間的關係是，燃料壓力越低，到達時間越長；燃料壓力越高，到達時間越短。因為混合氣形成期間是燃料蒸發時間和霧狀燃料到達火花塞25周圍的時間合起來的時間，所以燃料壓力越高，混合氣形成期間越短。因此，所設定的燃料壓力大幅度地高出現有技術的高壓點火滯後噴射會縮短燃料蒸發時間和霧狀燃料到達火花塞25周圍的時間。其結果是，會縮短混合氣形成期間。相對於此，如該圖中圓圈所示，現有的在低燃料壓力下的進氣行程噴射的混合氣形成期間大幅度加長。此外，多噴口型燃料噴射器67和腔室141的組合使用，在SI模式下縮短了燃料噴射後、霧狀燃料到達火花塞25周圍的時間。其結果是，對於混合氣形成期間的縮短是有效的。
[0127]這樣一來，縮短噴射期間和混合氣形成期間，就能夠使燃料的噴射時刻較晚，更準確地講，能夠使噴射開始時刻較晚。因此，如圖6中的上圖所示，在高壓點火滯後噴射下，在從該壓縮行程後期到膨脹行程初期的點火滯後期間內進行燃料噴射。伴隨著以較高的燃料壓力向氣缸18內噴射燃料，氣缸內的紊亂就會增強，氣缸18內的紊亂能量提高，該高紊流能量與燃料噴射的時刻設定得較晚二者相結合，有利於燃燒期間的短縮。
[0128]也就是說，在點火滯後期間內進行燃料噴射的情況下，燃料壓力和燃燒期間內的紊流能量之間的關係大致是燃料壓力越低，紊流能量越低；燃料壓力越高，紊流能量越高。這裡，即使以高燃料壓力向氣缸18內噴射燃料，當該噴射時刻位於進氣行程中時，也會因為到點火時刻的時間較長、在進氣行程後的壓縮行程中氣缸18內遭受壓縮等，而導致氣缸18內的紊流衰減。其結果是，在進氣行程中噴射燃料的情況下，不管燃料壓力高低如何，燃燒期間內的紊流能量都會比較低。
[0129]燃燒期間內的紊流能量和燃燒期間二者間的關係大致是，紊流能量越低，燃燒期間越長；紊流能量越高，燃燒期間越短。因此，燃料壓力與燃燒期間之間的關係為:如圖6的中段⑶所示，燃料壓力越低，燃燒期間越長；燃料壓力越高，燃燒期間越短。也就是說，高壓點火滯後噴射會縮短燃燒期間。相對於此，現有技術中的較低燃料壓力下的進氣衝程噴射會使燃燒期間增長。此外，多噴口式燃料噴射器67對於提高氣缸18內的紊流能量有利，對於縮短燃燒期間是有效的，而且該多噴口式燃料噴射器67和腔室141相結合能夠將霧狀燃料收進腔室141內，並且對於燃燒期間的縮短是有效的。
[0130]如上所述，高壓點火滯後噴射將噴射期間、混合氣形成期間以及燃燒期間分別縮短。其結果是，如圖6所示，與現有技術下進氣衝程中的燃料噴射相比，能夠使在從燃料的噴射開始時刻SOI到燃燒結束時刻0 end這一時間段內的未燃混合氣的可反應時間大幅度縮短。縮短可反應時間的結果，如圖6的上段圓圈所示，當現有技術的低燃料壓力下的進氣衝程噴射在燃燒結束時未燃混合氣的反應進度超過點火閾值，要發生異常燃燒時，高壓點火滯後噴射卻如黑點所示，能夠抑制燃燒結束時未燃混合氣反應的進行，避免異常燃燒。此夕卜，圖6上圖中的圓圈和黑點表不的噴射時刻不同,但是點火時刻卻相同。
[0131]將燃料壓力設定在例如30MPa以上，則能夠實現燃燒期間的縮短化。30MPa以上的燃料壓力，能夠有效地實現噴射期間、混合氣形成期間的縮短化。此外，優選燃料壓力根據至少含有汽油的使用燃料的性質狀態進行設定。作為一例可以將其上限值設定為120MPa。
[0132]高壓點火滯後噴射這一做法，通過改進向氣缸18內噴射燃料的噴射方式來避免SI模式下的異常燃燒。與此不同，出於避免異常燃燒的目的，將點火時刻延遲的做法現今也已為眾人所知。點火時刻的延遲是通過抑制未燃混合氣的溫度及壓力上升來抑制該反應的進行而實現的。但是，點火時刻的延遲會導致熱效率和轉矩下降，而相對於此，在進行高壓點火滯後噴射的情況下通過改進噴射燃料的方式來避免異常燃燒。因為這一異常燃燒的避免能夠讓點火時刻相應地提前，所以熱效率和轉矩提高。也就是說，高壓點火滯後噴射這一做法不僅能夠避免異常燃燒，這一異常燃燒的避免還能夠讓點火時刻相應地提前，而有利於降低耗油量。
[0133]如上所述，SI模式下的高壓點火滯後噴射能夠將噴射期間、混合氣形成期間以及燃燒期間分別縮短，在Cl模式下的區域(3)進行的高壓點火滯後噴射，能夠將噴射期間和混合氣形成期間分別縮短。也就是說，通過以高燃料壓力向氣缸18內噴射燃料，氣缸18內的紊亂就會增強，已微粒化的燃料的混合性(mixing)就會提高，即使在壓縮上止點附近較晚的時刻噴射燃料，也能夠迅速地形成較均勻的混合氣。
[0134]Cl模式下的高壓點火滯後噴射，是在負荷較高的區域在壓縮上止點附近較晚的時刻噴射燃料，因此利用該Cl模式下的高壓點火滯後噴射既能夠防止例如壓縮行程期間中的過早點火，又能夠如上所述迅速地形成均勻的混合氣。結果是，在壓縮上止點以後能夠可靠地進行壓縮點火。在氣缸18內的壓力由於用電動機帶動發動機空轉(motoring)而逐漸降低的膨脹行程期間內進行壓縮點火燃燒，燃燒就會變得緩慢，而能夠避免氣缸18內的壓力伴隨著壓縮點火燃燒而急劇上升(dP/dt)。這樣就解除了 NVH的制約，其結果是，Cl模式下的區域擴大到高負荷一側。
[0135]返回來對SI模式做說明，如上所述，雖然SI模式下的高壓點火滯後噴射通過在點火滯後期間內噴射燃料而讓未燃混合氣的可反應時間縮短，但是在發動機I轉速較低的低速域，因為曲軸旋轉同一角度所花費的時間較長，所以該可反應時間的縮短是有效的。相對於此，在發動機I轉速較高的高速域，因為曲軸旋轉同一角度所花費的時間較短，所以該可反應時間的縮短並不那麼有效。相反，在點火滯後噴射下，因為將燃料噴射時刻設定在壓縮上止點附近，所以在壓縮行程中是不含燃料的缸內氣體，換句話說，比熱比較高的空氣被壓縮。其結果是，在高速域，氣缸18內的壓縮上止點溫度升高，該較高的壓縮上止點溫度導致爆燃。因此，當在區域(5)僅進行點火滯後噴射時，有可能出現必須將點火時刻延遲來避免爆燃這樣的情況。
[0136]於是，在圖4所示的SI模式下轉速較高的區域(5)，在進氣行程期間內向氣缸18內噴射一部分要噴射的燃料，並且點火滯後期間內向氣缸18內噴射剩餘的燃料，如圖所示。在進氣行程噴射下，能夠降低壓縮行程中的缸內氣體(亦即含燃料的混合氣)的比熱t匕，由此而能夠將壓縮上止點溫度抑制得較低。這樣一來，因為壓縮上止點溫度降低以後就能夠抑制爆燃，所以能夠使點火時刻提前。
[0137]通過進行高壓點火滯後噴射，那麼就如上所述，在壓縮上止點附近的氣缸18內(燃燒室19內)紊流增強，燃燒期間縮短。這也會有利於抑制爆燃，而能夠進一步使點火時刻提前。因此，在區域(5)，通過分割進行噴射，即分割進行進氣行程噴射和高壓點火滯後噴射，就既能夠避免異常燃燒，又能夠提高熱效率。
[0138]此外，為了在區域(5)縮短燃燒期間，還可以採用多火花塞點火結構來取代高壓點火滯後噴射。也就是說，將多個火花塞面向燃燒室內而設，在區域(5)進行進氣行程噴射，並且在通過驅動多個火花塞中的每一個火花塞進行多火花塞點火。這樣做以後，火焰就會從燃燒室19內的多個火種中的每一個火種開始擴展開來，火焰的擴展快，燃燒期間縮短。其結果是，和採用高壓點火滯後噴射的情況一樣，有利於縮短燃燒期間，提高熱效率。採用多火花塞點火結構以後，那麼當在區域(5)不進行高壓點火滯後噴射時，就能夠使燃料壓力下降。這是因為發動機I驅動的燃料泵63的驅動力降低之故，有利於降低耗油量。
[0139]圖7?圖10示出相對於低速域內的發動機負荷的高低所控制的發動機I的各個參數的控制例，從低負荷到高負荷的負荷變化，在圖4所示的的發動機工作圖中用點劃線箭頭示出。
[0140]圖7(a)?圖7(d)與氣缸18內的狀態相關，圖7(a)示出氣缸18內的氣體組成(氣體比例)，圖7(b)示出開始壓縮時氣缸18內的溫度，圖7(c)示出氧濃度，圖7(d)示出外部EGR在進氣中所佔的比例。可以說這是從被引入氣缸18內的EGR氣體中除去內部EGR氣體以後而得到的。
[0141]圖8(a)、圖8(d)和圖7 (a)、圖7 (d) 一樣，分別示出氣缸18內的氣體組成、外部EGR在進氣中所佔的比例。圖8(e)?圖8(g)與氣門傳動系的控制相關，圖8 (e)示出排氣閥22的開關時刻、圖8(f)示出進氣閥21的開關時刻，圖8(g)示出進氣閥的升程量。
[0142]圖9 (a)、圖9(d)和圖7(a)、圖7(d) —樣。圖9 (h)?圖9 (j)與吸排氣系的控制相關，圖9(h)示出節氣閥36的開度，圖9⑴示出EGR閥511的開度，圖9 (j)示出EGR冷卻器芳路閥531的開度。
[0143]圖10(a)也和圖7 (a) —樣，示出氣缸18內的氣體組成。圖10 (k)?圖10 (m)與燃料噴射、點火系的控制相關，圖10(k)示出噴射開始時刻，圖10⑴示出燃料壓力，圖10(m)示出點火時刻。
[0144]如上所述，圖7(a)示出氣缸18內的狀態，相對負荷較低、圖左側的區域成為Cl模式，負荷高於規定負荷、圖右側的區域成為SI模式。雖未圖示，不管是Cl模式還是SI模式，噴射到氣缸18內的燃料量(總燃料量)都是隨著負荷的増大而增加。
[0145](到規定負荷Tl為止)
[0146]在Cl模式下，在負荷低於規定負荷Tl的低負荷區域(相當於圖4中的工作圖中的區域(I))，引入新氣和內部EGR氣體而變成濃混合氣。具體而言，節氣閥36的開度被設定成圖9(h)所示的完全打開，另一方面，如圖8(e)所示，讓排氣VVL71接通，讓排氣閥22在進氣行程中打開兩次。如圖8(g)所示，通過將進氣閥21的升程量設定為最小，內部EGR率(引入氣缸18內的內部EGR氣體量的比例)就會最高(參照圖11的SI)。如上所述，在區域(I)，只要使其成為例如空氣過剩率λ ^ 2.4左右的濃混合氣即可。這樣做以後，不僅將大量的EGR氣體引入氣缸18內，並且也抑制了 RawNOx的生成。將大量的EGR氣體引入氣缸18內對於降低泵損失也是有利的。此外，如圖10(k)、圖10(1)所示，在區域(1)，以較低的燃料壓力在進氣行程期間內進行燃料噴射。低燃料壓力有利於降低耗油量。不過，燃料壓力隨著發動機負荷增大而逐漸升高。
[0147]到達到規定負荷Tl (更準確而言，達到規定負荷T2)為止，將大量的內部EGR氣體引入氣缸18內，如圖7(b)所示，氣缸18內的溫度特別是壓縮上止點溫度就會升高，而有利於提高壓縮點火的點火性和壓縮點火燃燒的穩定性。如圖7(c)所示，氧濃度隨著負荷的増大而逐漸降低。此外，還可以採取以下做法，在將熱EGR氣體引入氣缸18內的、到達到規定負荷T6為止的低負荷到中負荷區域，將中間冷卻器旁路閥351關閉，將由中間冷卻器/加熱器34加熱的新氣引入氣缸18內，圖示省略。
[0148](從規定負荷Tl到T2)
[0149]在規定負荷Tl以上的發動機負荷下，混合氣的空燃比被設定為理論空燃比(λ?I)。因此，隨著要噴射的燃料量增加，被引入氣缸18內的新氣量也會增加，EGR率隨之減少(參照圖7(a))。在規定負荷Tl到Τ2下，也是在進氣行程期間內以較低的燃料壓力進行燃料噴射(參照圖10 (k)、圖10(1))。
[0150]在規定負荷Tl到T2下，也是如圖9 (h)所示，節氣閥的開度基本上為完全打開。另一方面，如圖8(e)所示，在使排氣VVL71接通的狀態下，如圖8(g)所示，通過調節進氣閥21的升程量，來調節引入氣缸18內的新氣量和內部EGR氣體量。
[0151]具體而言，如圖11所示，在將排氣VVL71接通、排氣閥打開兩次的狀態下，只要使進氣閥21的升程量最小(參照該圖中的SI)，內部EGR率就會最大，並且被引入氣缸18內的新氣會最少。如圖8(e)、圖8(f)、圖8(g)所示，這相當於到規定負荷Tl為止的對吸排氣閥21、22進行的控制。
[0152]如圖11中的S2所示，在排氣閥打開兩次的狀態下，如果增大進氣閥21的升程量，進氣閥21的開閥時間和排氣閥22的打開兩次時的開閥時間相重的程度會變化，內部EGR率會降低。此外，即使進氣閥21的升程量發生了變化，進氣閥21的開關時刻也基本保持一定不變。如果通過CVVL73和VVT72的控制來連續改變進氣閥21的升程量，就有可能使內部EGR率連續下降。在從規定負荷Tl到T2這段時間內，對進氣閥21的升程量進行控制，以便邊維持理論空燃比λ?I邊使EGR率成為最大，換句話說，將儘可能多的內部EGR氣體引入氣缸18內。具體而言，如圖8 (e)、圖8 (f)、圖8 (g)所示，逐漸增大進氣閥21的升程量，也讓進氣閥21的開閥時刻(IVO)伴隨於此而逐漸提前。
[0153](從規定負荷T2到T3)
[0154]規定負荷T2以上的發動機負荷，相當於圖4的工作圖中的區域(2)，具有以下可能性:氣缸18內的溫度升高，產生過早點火。因此，發動機負荷在規定負荷T2以上時，減少內部EGR氣體量，取而代之，將被冷卻的外部EGR氣體引入氣缸18內。也就是說，如圖9 (i)所示，EGR閥511的開度從關閉狀態逐漸增大，由此通過EGR冷卻器52而被冷卻的外部EGR氣體量隨著發動機I負荷的増大而逐漸增加。此外，如圖9(j)所示，EGR冷卻器旁路閥531處於關閉狀態不變。就這樣，被冷卻的外部EGR氣體(也就是說，冷EGR氣體)隨著發動機負荷的増大而逐漸增加(也可以參照圖7(d))。
[0155]另一方面，如圖7(a)所示，為了在規定負荷T2以上的高負荷一側，也將混合氣的空燃比設定為理論空燃比(入?I)，含內部EGR氣體和外部EGR氣體的EGR率相對於負荷的增大而以規定比例下降。因此，在規定負荷Τ2以上的高負荷一側，內部EGR氣體以更高的下降率隨著負荷的增大而增加(也就是說，圖7(a)中的斜率增大)。具體而言，如圖
8(e)、圖8 (f)、圖8 (g)所示，進氣閥21的升程量被迫以高於到規定負荷T2為止的低負荷一側的増大率隨著負荷的増大而逐漸增大，進氣閥21的開閥時刻(IVO)伴隨於此而逐漸提
N /.刖。
[0156]因此，如圖7(b)所示，氣缸18內的溫度在規定負荷T2以上的高負荷一側，隨著負荷的増大逐漸降低。
[0157](從規定負荷T3到T4)
[0158]如上所述，對內部EGR氣體的引入量的調節，是通過調節進氣閥21的開閥時間與在進氣行程期間內打開的排氣閥22的開閥時間相重的程度來進行的，基本上是利用進氣的CVVL73所進行的控制來進行的。如圖11中實線箭頭所示，雖然能夠讓內部EGR氣體的引入量連續地減少到規定量為止(參照該圖中的S1、S2),但是因為無法調節排氣閥22的開閥時間，所以如果要讓引入量比該規定量少，則必須將排氣VVL71切斷，讓排氣閥的兩次打開停止。因此，如該圖中的S3、S4所示，伴隨著排氣VVL71的接斷切換，內部EGR氣體的引入量非連續性地減少(參照圖11中的點劃線箭頭)。
[0159]這樣一來，因為無法讓引入氣缸18內的內部EGR氣體連續地減少，所以區域(2)的規定負荷T3下，停止將內部EGR氣體引入氣缸18內，將EGR冷卻器52旁路的不冷卻外部EGR氣體作為取而代之的熱EGR氣體引入氣缸18內。
[0160]也就是說，如圖8(e)所示，將排氣VVL71切斷，讓排氣閥停止兩次打開。另一方面，不連續地且大幅度地改變進氣閥21的升程量，也讓進氣閥21的開閥時刻伴隨於此而大大地提前到進氣上止點附近。此外，至少在Cl模式內的規定負荷T3以上的高負荷一側，儘管負荷増大，進氣閥21和排氣閥22的開閥時刻和閉閥時刻也分別被維持為固定不變。
[0161]如圖9 (i)所示，使EGR閥511的開度變成完全打開，並且如圖9(j)所示，使EGR冷卻器旁路閥531的開度也變成完全打開。如圖9(h)所示，節氣閥36的開度暫時被關小，由此使EGR率高於50%。於是，如圖9(d)所示，在規定負荷T3，將必要量的熱EGR氣體(亦即不冷卻的外部EGR氣體)引入氣缸18內。因為讓熱EGR氣體伴隨著發動機負荷的増大而減少，所以如圖9(j)所示，在規定負荷T3以上的高負荷一側，EGR冷卻器旁路閥531的開度從完全打開逐漸關閉。另一方面，因為讓冷EGR氣體量伴隨著發動機負荷的増大而增加，所以一邊維持EGR閥511完全打開，一邊使節氣閥36的開度逐漸地變成完全打開。
[0162](從規定負荷T4到T5)
[0163]在Cl模式下的規定負荷T4以上的發動機負荷下，僅通過調節冷EGR氣體和熱EGR氣體的引入比例，無法確保壓縮點火的點火性並且避免過早點火等異常燃燒，也就是說，無法使上述二者兩立。因此，如上所述，進行高壓點火滯後噴射。這在圖4的工作圖中相當於區域⑶。
[0164]如圖10(k)所示，燃料的開始噴射時刻從區域(I)、區域(2)中的進氣行程中的時亥搜化到壓縮上止點附近的時刻，變化很大。燃料壓力也如圖10⑴所示，從區域(I)、區域(2)中的低燃料壓力變到30MPa以上的高燃料壓力，變化很大。因此，儘管在區域(2)和區域(3)之間燃料的噴射方式有了很大的變化，但是因為氣缸18內的氣體組成連續地變化，所以不會發生進氣閥21和排氣閥22的開閥時間、關閥時間、節氣閥36的開度、EGR閥511的開度以及GR冷卻器旁路閥531的開度分別急劇地變化(參照圖8 (e)、圖8 (f)、圖8 (g)、圖9(h)、圖9(i)、圖9(j))這樣的事情。這有利於抑制在從區域(2)轉移到區域(3)之際產生扭矩衝擊(torque shock),能夠謀求控制的簡單化。
[0165]在規定負荷T4以上的高負荷一側，作為高壓點火滯後噴射的燃料噴射的開始時亥IJ，如圖10(k)所示，隨著發動機負荷的増大而逐漸地延遲。燃料壓力也如該圖10(1)所示，隨著發動機負荷的増大而設定得較高。伴隨著發動機負荷的增大，更容易發生過早點火等，並且壓力上升也會更加激烈。因此，通過讓燃燒的開始噴射時刻更晚，並且將燃料壓力設定得更高，來有效地避免上述現象。
[0166]在從規定負荷T4到規定負荷T5，節氣閥36的開度固定為完全打開(參照圖9(h))。另一方面，EGR閥511的開度和EGR冷卻器旁路閥531的開度分別隨著發動機負荷的增大而減少(參照圖9⑴、圖9 (j))。此外，當對EGR閥511的開度和EGR冷卻器旁路閥531的開度進行一下比較時，EGR冷卻器旁路閥531的開度的下降率高。
[0167](從規定負荷T5到T6)
[0168]規定負荷T5與Cl模式和SI模式的切換相關，在超過規定負荷T5的高負荷一側變成SI模式。因為在夾著與Cl模式和SI模式的切換相關的交界的低負荷一側和高負荷一側分別將混合氣的空燃比設定為理論空燃比(λ?I)，所以EGR率被設定成從Cl模式朝著SI模式連續地減少。這在從進行燃燒方式的切換的從Cl模式朝著SI模式轉移之際，除了開始進行火花點火以外，上述EGR率無大變化。因此能夠順利地從Cl模式向SI模式切換或者進行逆向切換，以抑制扭矩衝擊等的發生。特別是因為與通過了 EGR通路50的排出氣體的回流相關的控制響應性較低，所以不讓EGR率急劇地發生變化那樣的控制對於控制性的提聞是有利的。
[0169]如上所述，在Cl模式下，伴隨著儘量地將EGR率設定得較高，SI模式內的與Cl模式的交界附近的低負荷區域EGR率升高。高EGR率有利於減少泵損失，但是在SI模式下會出現對燃燒穩定性不利的情況。
[0170]因此，在SI模式下的低負荷區域，具體而言，低於規定負荷Τ6的低負荷一側，將熱EGR氣體引入氣缸18內。也就是說，將通過了 EGR冷卻器旁路通路53的、不冷卻的外部EGR氣體引入氣缸18內。如圖7(b)所示，由此而將氣缸18內的溫度設定得較高，縮短點火延遲時間，提高高EGR率環境下的火花點火燃燒的穩定性。
[0171]具體而言，如圖9(i)、圖9(j)所示，讓EGR閥511的開度和EGR冷卻器旁路閥531的開度分別連續地隨著負荷的增大而逐漸減少，以便從Cl模式時起開度連續。這樣一來，冷EGR氣體相對於發動機負荷的增大而增加，熱EGR氣體相對於發動機負荷的增大而減少，包含冷EGR氣體和熱EGR氣體的EGR率相對於發動機負荷的增大而逐漸降低。因此，新氣量增加。在規定負荷T6以上的發動機負荷下，因為燃燒穩定性由於氣缸18內的溫度升高而提高，所以關閉EGR冷卻器旁路閥531使熱EGR氣體量為O。此外，此時EGR閥511打開。在從規定負荷T5到T6這一負荷段內，節氣閥的開度維持著完全打開(參照圖9(h))，進氣閥21和排氣閥22的開閥時刻和閉閥時刻也固定不變(參照圖8(e)、圖8(f)、圖8(g))。
[0172]另一方面，如圖10(k)所示，燃料噴射的開始時刻隨著發動機負荷的增大而逐漸地延遲，燃料壓力也如圖10(1)所示，隨著發動機負荷的增大而逐漸升高。如圖10(m)所示，點火時刻為燃料噴射的開始時刻，並且點火時刻隨著發動機負荷的增大逐漸延遲。此外，在SI模式下，在從規定負荷T5到T6的低負荷一側的區域，讓火花塞25在規定點火時刻工作而進行火花點火，但是該燃燒方式並不限於由於火花點火而生成火炎核、火炎傳播這樣的方式，還有可能是由於火花點火而促進低溫氧化反應，自我點火這樣的方式。
[0173](規定負荷T6以上)
[0174]在SI模式下，在規定負荷T6以上的高負荷一側，如圖7(a)、圖7(d)所示，熱EGR氣體量為0，僅有冷EGR氣體被引入氣缸18內。此外，還省略圖示，在規定負荷T6以上的高負荷一側，打開中間冷卻器旁路閥351 (例如使其開度隨著發動機負荷的增大而逐漸增大)，增加旁路中間冷卻器/加熱器34的新氣量，降低引入氣缸18內的新氣的溫度。這對於在高負荷一側的區域降低氣缸18內的溫度避免過早點火、爆燃等異常燃燒是有利的。
[0175]如圖9(h)所示，節氣閥36的開度維持在完全打開上，並且如該圖9 (i)所示，EGR閥511隨著發動機負荷的增大而逐漸關閉,達到最大負荷時關閉。因此,最大負荷下EGR率為O (參照圖7 (a)、圖7 (d))。另一方面，如圖8 (f)、圖8 (g)所示，伴隨著發動機負荷的增大而讓進氣閥21的升程量逐漸增大，在最大負荷下使進氣閥21的升程量最大。這樣引入氣缸18內的新氣量隨著發動機負荷的增大而增加，由此而能夠謀求在發動機I的工作區域的高負荷一側的扭矩提高。
[0176]如圖10(k)、圖10(1)、圖10(m)所示，燃料開始噴射時刻隨著發動機負荷的增大而逐漸延遲，並且燃料壓力也被設定為隨著發動機負荷的增大而逐漸升高。點火時刻也隨著發動機負荷的增大而逐漸延遲。儘管隨著發動機負荷的增大而容易產生異常燃燒等，但是通過將噴火開始時刻延遲化和將燃料壓力高壓化則能夠有效地避免該異常燃燒等。
[0177]以上，參照圖7?圖10說明了與發動機負荷高低的各個參數的變化情況，但圖12示出了 EGR率和發動機負荷之間的關係。如上所述，在發動機負荷較低的低負荷區域將空燃比設定為稀空燃比。另一方面，在負荷比該輕負荷區域高的區域，不管發動機負荷的高低如何、燃燒方式相同與否，都將空燃比設定為理論空燃比(λ ^ I)，固定不變。沿著圖12中用粗實線箭頭示出的控制線對發動機I進行控制，將空燃比設定為理論空燃比(λ?I)的條件下，將EGR率設定為最大值。因此，EGR率相對於發動機負荷連續地變化，不管燃燒方式切換與否。因為在發動機負荷連續變化時，氣缸18內的氣體組成連續變化，所以這有利於提高控制性。
[0178]在通過一邊將大量的EGR氣體引入氣缸18內，一邊在進氣行程中進行燃料噴射而進行壓縮點火燃燒的燃燒方式(亦即相當於區域(I)、區域(2))下，如圖12中虛線所示，由於dP/dt的制約而無法實現規定以上的發動機負荷，但是這裡通過以30MPa以上的高燃料壓力且在壓縮上止點附近進行高壓點火滯後噴射，和將較大量的EGR氣體引入氣缸18內這兩個手段，就能夠讓燃燒比較緩慢，邊消除dP/dt的制約邊穩定地進行壓縮點火燃燒。這在圖4中相當於區域(3)的燃燒方式，能夠將Cl模式擴大到高負荷一側。通過設置該區域
(3)，也能夠實現EGR率相對於發動機負荷的高低而連續地變化。
[0179]在由於發動機I的幾何壓縮比較高，而可能產生過早點火(提前點火:pre-1gnit1n)等異常燃燒的SI燃燒區域(參照圖12中的虛線)，通過進行高壓點火滯後噴射，能夠避免這樣的異常燃燒，從而進行穩定的火花點火燃燒。由於高壓點火滯後噴射能夠提高燃燒穩定性，所以即使在剛從Cl模式切換到SI模式不久的負荷下EGR率較高，也有利於確保規定的燃燒穩定性。這是能夠讓EGR率相對於發動機負荷而連續變化的主要原因。
[0180]針對發動機負荷確保氣缸18內的狀態量的連續性，在伴隨著SI模式和Cl模式之切換的發動機I中，有利於抑制模式切換時所產生的扭矩衝擊等。
[0181]在幾何壓縮比被設定得較高的發動機I中，在以高壓點火滯後噴射進行燃料噴射那樣的時刻，燃燒室19的容積容易較小。從燃燒室19內的空氣利用率這一方面來看，有可能是不利的，但是高壓點火滯後噴射是以較高的燃料壓力向腔室141內噴射燃料，所以能夠強化腔室141內的流動，提高空氣的利用率。特別是，因為燃料噴射器67是多噴口型的，所以能夠有效地提高腔室141內氣體的紊流能量，有利於提高空氣利用率。
[0182]其結果，在Cl模式下的區域(3)，會迅速地形成較均勻的混合氣，壓縮點火燃燒的點火性和穩定性提高。同樣，在SI模式下的區域(4)也能夠避免異常燃燒。
[0183]這裡，對Cl模式下的高壓點火滯後噴射和SI模式下的高壓點火滯後噴射做一比較的話，如圖10(k)所示，Cl模式下的高壓點火滯後噴射，其燃料的開始噴射時刻被設定在提前角一側。在Cl模式下進行高壓點火滯後噴射的區域(3)，由於進行壓縮點火燃燒和發動機I的負荷相對較低而能夠將大量的EGR氣體引入氣缸內，因此能夠利用大量的EGR氣體讓燃燒緩慢化。於是，以能夠避免異常燃燒為限度讓燃料噴射的開始時刻更加提前，將均勻混合氣的形成期間確保得較長，讓點火性、燃燒穩定性提高，讓壓縮點火的時刻延遲到壓縮上止點以後，則能夠利用大量EGR氣體使燃燒緩慢化，並且能夠避免急劇的壓力上升。
[0184]相對於此，SI模式下的進行高壓點火滯後噴射的區域(4)(或區域(5))，從燃燒穩定性的觀點出發無法將大量的EGR氣體引入氣缸18內，所以理想的做法是，通過儘量地延遲燃料噴射的開始時刻，利用點火滯後噴射的作用效果來避免異常燃燒。
[0185](與熱EGR氣體的控制相關的另一結構)
[0186]如上所述，在通過將排氣VVL71和進氣CVVL73的控制相結合來調節內部EGR氣體量的情況下，EGR率的不連續(參照圖11)會在規定量下出現。圖13?圖18所示的發動機100，能夠利用動壓排氣將內部EGR氣體量連續地從最大量變到O。
[0187]具體而言，該發動機100的特徵在於其排氣側的結構上，圖14?圖17詳細地示出排氣歧管400的構造。如圖14?圖17所示，排氣歧管400具有:上遊端部連接在第一到第四各氣缸18A?18D的排氣口 17上的三條獨立排氣通路401、402、403、各獨立排氣通路401,402,403的下遊端部(遠離發動機本體100之一側的端部)保持著獨立狀態並被相互靠近地捆綁在一起的集中部404、以及設置在集中部404的下遊側且在內部形成有與所有的獨立排氣通路401、402、403連通的共用空間的負壓產生裝置405。單一的排氣管40連接在負壓產生裝置405的下遊側。出於圖示原因，圖16中，用想像線示出各獨立排氣通路401,402,403等，圖15中，省略圖示後述的旁路通路411、412、413和旁路下遊部414。
[0188]這樣一來，該發動機100中，對四個氣缸18A、18B、18C、18D準備了三條獨立排氣通路401、402、403。這是因為將中央一側的獨立排氣通路402呈能夠由第二個氣缸18B和第三個氣缸18C共同使用的Y字狀之故。也就是說，獨立排氣通路402具有從第二個氣缸18B和第三個氣缸18C上的各排氣口 17延伸且在下遊側合流的兩條分岐通路部4021、4022、和從各分岐通路部4021、4022合流的部分進一步朝著下遊側延伸的單一共用通路部4023。另一方面，連接在第一個氣缸18A和第四個氣缸18D上的各排氣口 17上的獨立排氣通路401、403形成為無分支的單管形狀。此外，下面，有時，將單管狀的獨立排氣通路401、403分別稱為「第一獨立排氣通路401」和「第三獨立排氣通路403」，將分為兩支的獨立排氣通路402稱為「第二獨立排氣通路402」。
[0189]四循環四氣缸發動機即發動機100中，第一個氣缸18A—第三個氣缸18C—第四個氣缸18D —第二個氣缸18B這樣的順序點火，分成兩支的第二獨立排氣通路402的上遊端部所連接的第二個氣缸18B和第三個氣缸18C存在排氣順序(排氣行程進行的順序)不連續的關係。因此，在將共用的獨立排氣通路402連接在第二個氣缸18B和第三個氣缸18C上的情況下，也不會出現來自這兩個氣缸18B、18C的排出氣體同時流入獨立排氣通路402中的情況。
[0190]為保證形成為單管狀的第一、第三獨立排氣通路401、403各自的下遊端部的位置與第二獨立排氣通路402的下遊端部一致，該第一、第三獨立排氣通路401、403指向氣缸列方向的中央側而延伸。也就是說，特別是，如圖15所示，第一獨立排氣通路401的下遊端部、第二獨立排氣通路402的共用通路部4023的下遊端部、第三獨立排氣通路403的下遊端部，分別在從發動機本體I的排氣側的壁面中央(仰視時與第二個氣缸18B和第三個氣缸18C之間的間隙相對應的位置)離開下遊側的位置處捆綁在一個地方。由被捆在一起的三條獨立排氣通路401、402、403各自的下遊端部、和將它們保持為被捆起來之狀態的保持部件等形成集中部404。
[0191]如圖17所示，各獨立排氣通路401、402、403各自的下遊端部，亦即第一獨立排氣通路401的下遊端部、第二獨立排氣通路402的共用通路部4023的下遊端部、以及第三獨立排氣通路403的下遊端部，分別具有將一個圓三等分後那樣的扇形斷面，三個具有這樣的斷面的各下遊端部集合起來以後，就形成了整體幾乎為一個圓形的集中部404。
[0192]在集中部404彼此靠近而設的各獨立排氣通路401、402、403的下遊端部，形成為越靠近下遊側通路斷面面積就越小的噴嘴狀(參照例如圖14、圖15)。因此，通過了各獨立排氣通路401、402、403的下遊端部的排出氣體在那裡加速後(提高了流速後)，被朝著負壓產生裝置405噴出。
[0193]各獨立排氣通路401、402、403的下遊端部在集中部404以接近平行的角度捆在一起。具體而言，各獨立排氣通路401、402、403的下遊端部以各自的軸心相互間所成的角度在例如10度左右的小角度的方式布置好。
[0194]如圖14、圖15所示,從上遊一側看起，負壓產生裝置405依次具有越靠近下遊側通路斷面面積越小的噴嘴部406、具有基本一致的通路斷面面積的直管(straight)部407、越靠近下遊側通路斷面面積越大的分配(diffuser)部408。因此，從各獨立排氣通路401、402,403中任一條通路的下遊端部噴出的排出氣體，首先流入噴嘴部406，在那裡被加速(此時排出氣體的壓力降低)。在噴嘴部406被加速的排出氣體通過直管部407和分配部408逐漸被減速，伴隨於此，排出氣體的壓力得到恢復。
[0195]一從各獨立排氣通路401、402、403中任一排氣通路的下遊端部朝著負壓產生裝置405的噴嘴部406高速地噴出排出氣體，就會在該噴出氣體周圍生成相對壓力較低的負壓部。因此，當排出氣體被從某一氣缸的獨立排氣通路(401、402、403中的任一條)噴到負壓產生裝置405時，負壓會作用在其它氣缸的獨立排氣通路等上，排出氣體被從那裡吸向下遊側。這被作為噴射效果而為眾人所知曉。
[0196]此外，已知:在將噴嘴部406下遊端部的面積(與直管部407的面積相等)的等效圓直徑設為D，將獨立排氣通路401、402、403各下遊端部的等效圓直徑設為a時，只要a/D ^ 0.5，就能夠獲得足夠的噴射效果。因此，在該實施方式中，也將a/D設定在0.5以上(例如0.65)。這裡，等效圓直徑指的是，將具有某一形狀的斷面置換為面積相等的正圓時的直徑。
[0197]如圖14、圖16所示，該排氣歧管400除了具有獨立排氣通路401、402、403、負壓產生裝置405等以外，還具有從各獨立排氣通路401、402、403的中途部分支並延伸且在下遊側合流的三條旁路通路411、412、413、以及從各旁路通路411、412、413合流的部分朝著下遊側延伸的旁路下遊部414。旁路下遊部414的下遊端部連接在位於負壓產生裝置405的下遊側的排氣通路即排氣管40上。也就是說，旁路通路411、412、413經由旁路下遊部414將各獨立排氣通路401、402、403的中途部(以負壓產生裝置405為起點的上遊側部分)和排氣管40連接起來。此外，旁路通路411、412、413合流的角度被設定得較廣，例如，將旁路通路411和412各自的軸心彼此間的交叉角度、以及旁路通路412和413各自的軸心彼此間的交叉角度分別設定在O度以上。
[0198]各旁路通路411、412、413和旁路下遊部414形成為從其上遊端到下遊端具有基本一定的斷面面積，其斷面面積被設定為比各獨立排氣通路401、402、403的下遊側部分的斷面面積大。在該實施方式中，旁路通路411、412、413和旁路下遊部414各自的斷面面積被設定為與獨立排氣通路401、402、403的下遊端部集合起來的集中部404的圓形的斷面面積(各通路401、402、403下遊端部的合計面積)大致相等。
[0199]在各旁路通路411、412、413的內部分別設置有能夠開關的流通切換閥415。各流通切換閥415被設置成以共用杆416為中心轉動，杆416的一端與執行部件417相連結。當杆416由於執行部件417工作而旋轉時，伴隨於此，各流通切換閥415同時被驅動，旁路通路411、412、413會開、關。
[0200]按以上所述工作的流通切換閥415，用於決定是否讓從各氣缸18A?18D排出的排出氣體通過負壓產生裝置405。例如，如果流通切換閥415全關，從各氣缸18A?18D排出的排出氣體就會全部通過獨立排氣通路401、402、403流入負壓產生裝置405中。這樣一來，就會在負壓產生裝置405的內部產生較強的負壓(壓力充分地降低了的負壓)，能夠得到充分的排出氣體的吸出作用(噴射效果)。另一方面，在流通切換閥415完全打開的情況下，從各氣缸18A?18D排出的排出氣體的大部分通過旁路通路411、412、413流向下遊側，不通過負壓產生裝置405就流入下遊側的排氣管40中。這樣一來，就不會在負壓產生裝置405產生負壓了。結果是，噴射效果大幅度地下降。此外，當讓流通切換閥415完全打開時排出氣體的大部分(不是獨立排氣通路401、402、403)通過旁路通路411、412、413，是因為與獨立排氣通路401、402、403各自的下遊端部的斷面面積相比，旁路通路411、412、413的斷面面積大、流通阻力小之故。
[0201]通過這樣在發動機100的排氣系設置負壓產生裝置405等，就能夠讓內部EGR率連續地變到0，詳情後述。因此，在該發動機100中，就不需要用EGR冷卻器52旁路的外部EGR氣體作熱EGR氣體用了。於是，如圖13所示，EGR冷卻器旁路通路53和EGR冷卻器旁路閥531分別省略圖示，作為EGR通路僅有主通路51。如圖18所示，PCMlO向調節所述流通切換閥315的開度的執行部件417輸出控制信號，取代向EGR冷卻器旁路閥531輸出控制信號。
[0202]接下來，參照圖19?圖21對結構如此的發動機100的控制進行說明。圖19?圖
21與上述圖7?圖9相對應，圖19(a)示出氣缸18內的氣體組成，圖19(b)示出壓縮開始時氣缸內的溫度，圖19(c)示出氧濃度，圖19(d)示出外部EGR在進氣中所佔的比例。其中，圖 19(b)、圖 19(c)和圖 7(b)、圖 7(c) 一樣。
[0203]圖20 (a)、圖20(d)和圖19 (a)、圖19(d)相同，分別示出氣缸18內的氣體組成、夕卜部EGR在進氣中所佔的比例。圖20(e)示出排氣閥22的開關時刻，圖20 (f)示出進氣閥21的開關時刻，圖20(g)示出進氣閥的升程量。
[0204]圖21 (a)、圖21(d)和圖19(a)、圖19(d) —樣。圖21 (h)示出節氣閥36的開度，圖21⑴示出EGR閥511的開度，圖21 (j)示出流通切換閥415的開度。
[0205]此外，發動機100中，有關燃料噴射和點火時刻的控制和發動機I中的控制一樣，分別參照圖10 (k)、圖10 (I)、圖10 (m)。
[0206]首先，在圖19(a)中，從輕負荷到規定負荷Tl、從規定負荷Tl到T2這一負荷段內，與圖7(a) —樣。不過，如圖21(j)所示，流通切換閥415的開度被設定為完全打開，排出氣體由此通過旁路通路411、412、413排出。在該情況下，如後所述，因為不會產生從排氣口 17噴出的排出氣體的吸引作用，所以利用排氣閥的兩次打開就能夠將足夠量的內部EGR氣體引入氣缸18內。
[0207]在圖7(a)、圖7(e)中，在規定負荷T3下將排氣VVL71切斷(參照圖8(e))，在圖20(a)、圖20(e)中，在規定負荷T3下也不將排氣VVL71切斷(參照圖20 (e))。到SI模式下的規定負荷T6為止一直將排氣VVL71保持接通狀態。
[0208]如圖20(f)、圖20(g)所示，在規定負荷T2以上的高負荷一側，進氣閥21的升程量隨著發動機負荷的增大而逐漸增大，伴隨於此，進氣閥21的開閥時刻提前。這樣利用對排氣VVL71的控制和對進氣CVVL73的控制，內部EGR氣體的引入量便隨著發動機負荷的增大而逐漸減少，如圖20(a)所示。通過這樣不讓排氣VVL71停止工作，則沒有必要讓進氣閥21的升程量急劇地發生變化(參照圖8(g))。如圖21(i)所示，不需要讓EGR閥511的開度急劇地變化(也可以參照圖9(i))。控制性會相對於發動機負荷的增大而提高。此外，在規定負荷T4以上的發動機負荷下進行高壓點火滯後噴射這一點與以上所述相同(參照圖9(k)、圖 9(1)以及圖 9(m))。
[0209]發動機負荷一超過規定負荷T5，就進行從Cl模式向SI模式的切換。在超過規定負荷T5的高負荷一側，如圖21(j)所示，流通切換閥415從完全打開逐漸關閉。這樣一來，在旁路通路411、412、413中流動的排出氣體量減少，通過獨立排氣通路401、402、403流入負壓產生裝置405的排出氣體量增加。這會與通過增強在負壓產生裝置405內生成的負壓，噴出到排氣口 17的排出氣體被吸引，讓排氣閥打開兩次時返回氣缸18內的內部EGR氣體量減少這件事相關。也就是說，負壓產生裝置405內的負壓增強(壓力下降)，該負壓通過獨立排氣通路401、402、403波及到排氣口 17，排出氣體被吸到下遊一側。其結果是，難以產生排出氣體從排氣口 17向氣缸18內逆流這樣的現象。因為發動機負荷越高，流通切換閥415的開度就會越小，所以在負壓產生裝置35產生的負壓對排出氣體的吸引作用(噴射效果)逐漸加強，其結果是，如圖21(a)所示，內部EGR氣體的量逐漸減少。
[0210]在內部EGR氣體的引入量被設定為O的規定負荷T6下，如圖21 (j)所示，將流通切換閥415的開度設定為完全關閉，並且如圖20(e)所示，將排氣VVL71切斷。
[0211]規定負荷T6以上的高負荷一側，基本上與圖7等所示的控制相同，如圖21(j)所示，流通切換閥415的開度到最大負荷為止維持著完全關閉的狀態不變。因此，如上所述，從氣缸18排出的排出氣體全部流入負壓產生裝置405中，在那裡產生的負壓增強。在規定負荷T6以後的高負荷一側，排氣閥的兩次打開停止了，但是較強的負壓在排氣閥22打開的排氣行程中用於吸引(掃除)氣缸18內的殘留氣體，會對新氣填充量的增大和氣缸18內的溫度下降做出貢獻。這將有利於在高負荷一側區域的扭矩增大。
[0212](氣門傳動機構的又一結構)
[0213]在圖2所示的結構下，讓進氣閥21的氣門傳動機構包括CVVL73。與此不同，如圖
22所示，進氣閥21的氣門傳動機構還可以與排氣側的氣門傳動系一樣包括VVL74，來取代CVVL73。但是，進氣側的VVL74與排氣側的VVL71不同。進氣側的VVL74包括讓進氣閥21的升程量相對增大的大升程凸輪、讓進氣閥21的升程量相對較小的小升程凸輪這樣的凸輪輪廓不同的兩種凸輪、以及有選擇地將大升程凸輪和小升程凸輪中的任一凸輪的工作狀態傳遞給進氣閥21的空轉機構。如圖24A?24C所示，當VVL74將小升程凸輪的工作狀態傳遞給進氣閥21時，進氣閥21以相對較小的升程量打開，並且其開閥時間也變短。相對於此，如圖24D、24E所示，在VVL74將大升程凸輪的工作狀態傳遞給進氣閥21時，進氣閥21以相對較大的升程量打開，並且其開閥時間也變長。
[0214]排氣閥22的氣門傳動機構除了 VVL71以外，還包括VVT75。VVT75與進氣閥21的VVT75 一樣，只要適當地採用液壓式、電磁式或者機械式的公知構造即可。
[0215]圖23示出在進氣閥21的氣門傳動機構包括VVL74的結構下，對發動機I的相對於發動機負荷的各個參數的控制例，該圖與圖8相對應。
[0216]在Cl模式下，在負荷比規定負荷Tl低的區域，如圖23 (e)所示，進行將排氣VVL71接通、讓排氣閥22在進氣行程中打開的排氣閥兩次打開。如圖23(g)所示，進氣VVL74用小升程凸輪打開和關閉進氣閥21。進氣閥21的開閥時刻變晚(參照圖23(f))。該狀態下的進氣閥21和排氣閥22的升程特性之示例於圖24A。將內部EGR率設定在例如80%左右的最聞值上。
[0217]在從規定負荷Tl到T3這一區域，如圖23(e)所示，使排氣VVL71維持著接通狀態不變，繼續進行排氣閥的兩次打開。如圖23(g)所示，進氣VVL74利用小升程凸輪打開和關閉進氣閥21。如圖23(e)所示，讓排氣閥22的開閥時刻隨著發動機負荷増大而延遲。另一方面，如圖23(f)所示，讓進氣閥21的開閥時刻隨著發動機負荷增大而提前。該狀態下的進氣閥21和排氣閥22的升程特性之示例於圖24B。通過這樣改變進氣閥21的開閥時間和排氣閥22的開閥時間隨著發動機負荷的增大而重合，讓內部EGR率下降(參照圖23(a))。
[0218]在從規定負荷T3到T5這一區域，首先，在規定負荷T3下，將排氣VVL72切斷，停止排氣閥的兩次打開(參照圖23(e))。該狀態下的進氣閥21和排氣閥22的升程特性之示例於圖24C。在圖22所示的發動機構造下，進氣閥21和排氣閥22 二者的氣門傳動機構分別具有VVT72和VVT75，調節各閥21、22的開閥時刻，所以在規定負荷T3下將排氣VVL72切斷時，不需要讓進氣閥21的開閥動作急劇地變化。進氣閥21仍然用小升程凸輪讓其開閥時刻隨著發動機負荷的增大而提前。排氣閥222的開閥時刻不提前，固定不變。因此，如上所述，邊將外部EGR氣體引入氣缸18內，邊讓新氣量隨著發動機負荷增大而增加。此外，當規定負荷T4以上時，與以上所述相同，進行高壓點火滯後噴射。
[0219]在從規定負荷T5到T6這一區域，在規定負荷T5下，維持著排氣VVL72切斷的狀態，進氣閥21的VVL74從小升程凸輪切換到大升程凸輪(參照圖23(g))。該狀態下的進氣閥21和排氣閥22的升程特性之例示於圖24D。因此，如圖23(f)所示，維持著進氣閥21的開閥時刻，閉閥時刻延遲。這樣就讓進氣閥21的開閥時刻隨著發動機負荷的增大而提前。另一方面，排氣閥22的開閥時刻不提前，固定不變。這樣一來，一邊將外部EGR氣體引入氣缸18內，一邊讓新氣量隨著發動機負荷的增大而進一步增加。
[0220]在規定負荷T6以上的高負荷區域，維持著排氣VVL72的切斷狀態，進氣閥21的VVL74仍然用大升程凸輪讓進氣閥21和排氣閥22的開閥時刻都隨著發動機負荷的增大而提前。該狀態下的進氣閥21和排氣閥22的升程特性之例如圖24E所示。因此，一邊讓外部EGR帶來的EGR率減少到0，一邊進一步增加新氣量。
[0221]此外。這裡公開的技術並不限於所述發動機結構。例如，在進氣行程期間內，不用設置在氣缸18內的燃料噴射器67進行燃料噴射，而是通過另外設置在進氣口 16上的口燃料噴射器，向進氣口 16內噴射燃料。
[0222]發動機I並不限於直列四缸發動機，對於直列三缸、直列二缸、直列六缸發動機等都適用。對於V型六氣缸、V型八缸、水平對置四缸等各種發動機也適用。
[0223]在所述說明中，在規定工作區域將混合氣的空燃比設定為理論空燃比(λ ^ I),但是將混合氣的空燃比設定為稀空燃比也是可以的。不過，將空燃比設定為理論空燃比具有的優點是可以使用三效催化劑。
[0224]圖4所示的工作區域為示例，除此以外，還可以設定各種各樣的工作區域。
[0225]高壓點火滯後噴射可以根據需要分割噴射。同樣，進氣行程噴射可以根據需要分割進行。這些分割噴射可以在進氣行程和壓縮行程中分別噴射燃料。
[0226]—符號說明一
[0227]I 發動機(發動機本體)
[0228]10 PCM (控制器)
[0229]18 氣缸
[0230]25火花塞
[0231]50 EGR通路(排氣回流系統)
[0232]51主通路(排氣回流系統)
[0233]511 EGR閥(排氣回流系統)
[0234]52 EGR冷卻器(排氣回流系統)
[0235]53 EGR冷卻器旁路通路(排氣回流系統)
[0236]531 EGR冷卻器旁路閥(排氣回流系統)
[0237]62燃料供給系統(燃料壓力設定機構)
[0238]67燃料噴射器(燃料噴射閥)
[0239]71 WL (排氣回流系統)
【權利要求】
1.一種火花點火直噴式發動機，其特徵在於:包括: 發動機本體，其構成為具有幾何壓縮比設定在15以上的氣缸、 燃料噴射閥，其構成為向所述氣缸內噴射燃料、 燃料壓力設定機構，其構成為設定由所述燃料噴射閥噴射的所述燃料的壓力、 火花塞，其面對所述氣缸內部而設且對所述氣缸內的混合氣點火、 排氣回流系統，其構成為將排出氣體引入所述氣缸內、以及 控制器，其構成為通過控制至少所述燃料噴射閥、所述燃料壓力設定機構、所述火花塞以及所述排氣回流系統來讓所述發動機本體工作， 當所述發動機本體的工作狀態處於規定的低負荷區域時，所述控制器利用對所述氣缸內的混合氣進行壓縮點火的壓縮點火燃燒來讓所述發動機本體工作，並且 當所述發動機本體的工作狀態處於負荷高於所述低負荷區域的高負荷區域時，所述控制器讓所述火花塞在規定的時刻工作以便利用火花點火燃燒讓所述發動機本體工作，當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述低負荷區域內的、包括所述低負荷區域和所述高負荷區域的交界的規定的第一特定區域時，所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，以便由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且至少在從壓縮行程後期到膨脹行程初期這段時間內向所述氣缸內噴射燃料，並且， 當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述高負荷區域內的、包括最大負荷的規定的第二特定區域時，所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，以便由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且至少在從所述壓縮行程後期到所述膨脹行程初期這段時間內向所述氣缸內噴射燃料，並且在該燃料噴射結束後所述控制器對所述火花塞進行驅動，來對所述氣缸內的混合氣進行火花點火， 所述控制器，通過對所述排氣回流系統進行控制而將所述低負荷區域的所述第一特定區域內的EGR率設定成比所述高負荷區域的所述第二特定區域內的EGR率高，並且讓所述第一特定區域內的燃料開始噴射時刻比所述第二特定區域內的燃料開始噴射時刻提前，所述EGR率是所述排氣量在所述氣缸內的所有氣體量中所佔的比例。
2.一種火花點火直噴式發動機，其特徵在於，包括: 發動機本體，其構成為:具有幾何壓縮比設定在15以上的氣缸、和能夠往返移動地插在該氣缸內且在其冠面形成有凹狀腔室的活塞， 燃料噴射閥，其構成為:當所述活塞位於壓縮上止點附近時，能夠向所述腔室內噴射燃料， 燃料壓力設定機構，其構成為設定由所述燃料噴射閥噴射的所述燃料的壓力， 火花塞，其面對所述氣缸內而設且對所述氣缸內的混合氣進行點火， 排氣回流系統，其構成為將排出氣體引入所述氣缸內，以及控制器，其構成為通過控制至少所述燃料噴射閥、所述燃料壓力設定機構、所述火花塞以及所述排氣回流系統來讓所述發動機本體工作， 在所述發動機本體的工作狀態處於規定的低負荷區域時，所述控制器利用對所述氣缸內的混合氣進行壓縮點火的壓縮點火燃燒來讓所述發動機本體工作，並且 當所述發動機本體的工作狀態處於負荷高於進行所述壓縮點火燃燒的所述低負荷區域的高負荷區域時，所述控制器讓所述火花塞在規定的時刻工作以便利用火花點火燃燒讓所述發動機本體工作， 當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述低負荷區域內的、包括所述低負荷區域和所述高負荷區域的交界的規定的第一特定區域時，所述控制器對所述燃料壓力設定機構進行控制由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且在向所述活塞的所述腔室內噴射所述燃料的時刻所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，並且， 當所述發動機本體的工作狀態至少處於所述高負荷區域內的、包括最大負荷的規定的第二特定區域時，所述控制器對所述燃料壓力設定機構進行控制由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定為30MPa以上的高燃料壓力，且在向所述活塞的所述腔室內噴射所述燃料的時刻所述控制器對所述燃料噴射閥進行驅動，並且在該燃料噴射結束後所述控制器對所述火花塞進行驅動，來對所述氣缸內的混合氣進行火花點火， 所述控制器，通過對所述排氣回流系統進行控制而將所述低負荷區域的所述第一特定區域內的EGR率設定成比所述高負荷區域的所述第二特定區域內的EGR率高，並且讓所述第一特定區域內的燃料開始噴射時刻比所述第二特定區域內的燃料開始噴射時刻提前，所述EGR率是所述排氣量在所述氣缸內的所有氣體量中所佔的比例。
3.根據權利要求1或2所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 所述排氣回流系統包括外部EGR系統和內部EGR系統，該外部EGR系統構成為經由使所述發動機本體的排氣通路和進氣通路連通的EGR通路讓所述排出氣體回流到所述氣缸內，該內部EGR系統利用對所述發動機本體的進氣閥和排氣閥進行的開關控制讓所述排出氣體回流到所述氣缸內， 所述控制器，在所述低負荷區域的所述第一特定區域內經由所述外部EGR系統的EGR通路將已冷卻的所述排出氣體引入所述氣缸內。
4.根據權利要求1或2所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 所述排氣回流系統構成為:能夠將所述排出氣體已被冷卻的冷EGR氣體、和溫度比所述冷EGR氣體高的熱EGR氣體引入所述氣缸內， 所述控制器，在所述低負荷區域的所述第一特定區域內通過所述排氣回流系統至少將所述冷EGR氣體引入所述氣缸內， 所述控制器，在所述低負荷區域且負荷低於所述第一特定區域的規定的最低負荷區域內通過所述排氣回流系統僅將所述熱EGR氣體引入所述氣缸內。
5.根據權利要求1、3以及4中任一項權利要求所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 所述控制器，在所述低負荷區域內的除所述第一特定區域以外的區域、以及所述高負荷區域內的規定轉速以上的高速域對所述燃料噴射閥進行驅動，以便至少在從進氣行程到所述壓縮行程中期這段時間內進行燃料噴射。
6.根據權利要求2、3以及4中任一項權利要求所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 所述控制器，在所述低負荷區域內的除所述第一特定區域以外的區域、以及所述高負荷區域內的在規定轉速以上的高速域，在向所述活塞的所述腔室外噴射噴向所述氣缸內的燃料的至少一部分的那一時刻對所述燃料噴射閥進行驅動。
7.根據權利要求5或6所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 至少在所述低負荷區域內的除所述第一特定區域以外的區域，所述控制器對所述燃料壓力設定機構進行控制而由所述燃料壓力設定機構將所述燃料的壓力設定成低於30MPao
8.根據權利要求7所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 所述燃料壓力設定機構包括由所述發動機本體驅動且對所述燃料的壓力進行調節的燃料泵。
9.根據權利要求1?8中任一項權利要求所述的火花點火直噴式發動機，其特徵在於: 所述燃料噴射閥布置在所述氣缸的中心軸上，並且所述燃料噴射閥構成為能夠放射狀地噴射燃料。
【文檔編號】F02D21/08GK104364506SQ201380029566
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2012年8月29日
【發明者】巖井浩平, 山川正尚, 長津和弘, 養祖隆, 荒木啟二 申請人:馬自達汽車株式會社