專利名稱：火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
例如在John B.Heywood著的“Internal Combustion Engine Fundamentals”(文獻(xiàn)D1)中揭示的那樣，火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)理論上是按照四沖程循環(huán)(Otto Cycle)工作的，其理論熱效率為ηth時(shí)，則ηth＝1-(1/εκ-1)(1)(其中，ε為壓縮比，κ為比熱比)從式(1)可見，火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的理論熱效率(因此圖示為有效熱效率)在一定范圍內(nèi)隨壓縮比增大而增高。有關(guān)這方面，文獻(xiàn)D1介紹了以下的研究針對(duì)在節(jié)氣門全開(所謂的WOTWide-Open Throttle)、使火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以2000rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的各種壓縮比(8≤ε≤20)對(duì)理論熱效率的影響進(jìn)行了調(diào)查。根據(jù)其記載，理論熱效率及平均有效壓力(MEPMean Effective Pressure)在壓縮比到達(dá)17附近之前呈正比地上升，此后橫向盤整。
以以上的研究成果為基礎(chǔ)，至今在嘗試高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化。
但是，高壓縮比的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)中，無法避免包括節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域的爆燃引起的輸出功率的下降。
針對(duì)這一問題，作為一般的爆燃對(duì)策，周知有延遲點(diǎn)火時(shí)間的點(diǎn)火延遲。但是，一般認(rèn)為在包括節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，利用點(diǎn)火延遲來避免爆燃會(huì)引起較大的輸出功率的下降，大大地有損于商品特性。
圖1是表示高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的點(diǎn)火延遲的一個(gè)例子的曲線圖。
例如，如圖1所示，在通常的發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍采用的壓縮比(ε＝11)時(shí)，將點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定在壓縮上止點(diǎn)前4°時(shí)沒有發(fā)生爆燃，但在高壓縮比(ε＝13)時(shí)，即使將點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定在壓縮上止點(diǎn)前4°時(shí)也會(huì)發(fā)生爆燃。因此，一般認(rèn)為為了采用高壓縮比，需要大幅度的點(diǎn)火時(shí)間的延遲。為此，當(dāng)將壓縮比提高到13左右時(shí)，為了防止爆燃而采用的點(diǎn)火時(shí)間的延遲所引起的輸出功率下降大于壓縮比提高所帶來的輸出功率的上升量，從而得出整體輸出功率大幅下降的結(jié)論，以往，考慮到點(diǎn)火時(shí)間延遲引起的輸出功率下降，對(duì)于包括節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，將壓縮比12設(shè)定為高壓縮比的極限，不使用更大的高壓縮比。
為此，針對(duì)包括節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，已知有利用所謂的阿特金桑循環(huán)(Atkinson Cycle)或米勒循環(huán)(Miller Cycle)來降低有效壓縮比的方法。但是，若高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)改變進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間來降低有效壓縮比，則在進(jìn)氣行程中，進(jìn)氣受損而壓力降低，充氣效率減小導(dǎo)致輸出功率下降。
為此，已知有在包括節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比的技術(shù)。例如，在日本專利特開2005-076579號(hào)(文獻(xiàn)D2)、日本專利特開2005-146991號(hào)(文獻(xiàn)D3)中揭示了以下技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置可改變幾何壓縮比的可變壓縮比機(jī)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)行情況改變幾何壓縮比。
上述文獻(xiàn)D2、D3揭示的技術(shù)中，都是在節(jié)氣門全開區(qū)域中通過降低壓縮比來避免爆燃的。因此，在火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的針對(duì)高壓縮比的提案要么犧牲輸出功率，要么增加成本，現(xiàn)實(shí)情況是被迫兩者選一。
而且，如文獻(xiàn)D2、D3揭示的那樣，設(shè)置改變幾何壓縮比的機(jī)構(gòu)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)變得復(fù)雜、成本也提高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種即使在低速區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域(尤其是節(jié)氣門全開區(qū)域)也可同時(shí)具有廉價(jià)性和高輸出功率性的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
本案發(fā)明人經(jīng)過潛心研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在由爆燃極限決定的點(diǎn)火時(shí)間在壓縮上止點(diǎn)以后那樣的高壓縮比(ε＝13以上)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，在壓縮上止點(diǎn)以后，缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)顯著，通過該冷焰反應(yīng)，壓縮比提高量所帶來的輸出功率上升量遠(yuǎn)大于為防止爆燃而延遲點(diǎn)火時(shí)間所引起的輸出功率的下降，從而完成了本發(fā)明。
即，為了解決上述問題，本發(fā)明的至少具有火花塞的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，包括幾何壓縮比設(shè)定在14以上的發(fā)動(dòng)機(jī)本體；分別設(shè)置在與所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的氣缸連接的進(jìn)氣口及排氣口上、對(duì)對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣口進(jìn)行開閉的進(jìn)氣氣門及排氣氣門；檢測(cè)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段；以及根據(jù)所述運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段的檢測(cè)，至少執(zhí)行所述火花塞的點(diǎn)火時(shí)間的調(diào)節(jié)控制以及利用進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)控制進(jìn)行的有效壓縮比的調(diào)節(jié)控制的控制手段，該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域是至少在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段對(duì)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)以使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比維持在13以上，并將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間內(nèi)。在該形態(tài)中，即使是在通常的話被認(rèn)為為了防止爆燃需要大幅度延遲點(diǎn)火時(shí)間的運(yùn)行區(qū)域，也可將以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比維持在13以上，使發(fā)動(dòng)機(jī)本體在維持高轉(zhuǎn)矩和低燃料費(fèi)的情況下運(yùn)行。即，在有效壓縮比為13以上、為了避免爆燃而延遲的點(diǎn)火時(shí)間被設(shè)定為壓縮上止點(diǎn)后時(shí)，活塞經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后，缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)變得顯著，經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后的燃燒過程成為多級(jí)著火，其結(jié)果可在降低時(shí)間損失的同時(shí)維持發(fā)熱率(dQ/dθ)，能得到足夠的轉(zhuǎn)矩。另外，通過維持這樣的發(fā)熱率，可盡可能地降低該延遲量。另一方面，在產(chǎn)生冷焰反應(yīng)的區(qū)域，莫爾數(shù)上升，其結(jié)果缸內(nèi)溫度未達(dá)到壓力上升那樣的程度。此外，在燃燒室的中央側(cè)產(chǎn)生冷焰反應(yīng)，在剩余廢氣(End Gas)中冷焰反應(yīng)的發(fā)生較少，因而也能抑制缸內(nèi)溫度上升。通過這樣的溫度條件，產(chǎn)生甲醛(HCHO)，且促進(jìn)消費(fèi)該甲醛成為爆燃原因的OH基，從這方面也可抑制自燃。至少在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中的高壓縮比情況下，通過構(gòu)成這樣的爆燃抑制機(jī)理，可將冷焰反應(yīng)帶來的熱效率的改善量補(bǔ)充點(diǎn)火時(shí)間延遲引起的輸出功率下降，不用犧牲輸出功率就可盡可能地得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)程度的燃料費(fèi)。另外，有效壓縮比可由進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)控制決定，因而不需要使用改變幾何壓縮比用的復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明對(duì)以往要采用高價(jià)的機(jī)構(gòu)或利用進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間的調(diào)節(jié)控制使有效壓縮比下降從而犧牲輸出功率來應(yīng)對(duì)的低速區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，謀求在維持高壓縮比的情況下避免爆燃，故能起到同時(shí)具有低廉性和高輸出功率性、可盡可能地得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)程度的燃料費(fèi)這樣的顯著效果。
在較佳的形態(tài)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體使用辛烷值為96RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行。在該形態(tài)中，在低速區(qū)域的至少包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，使有效壓縮比為13以上，并將點(diǎn)火時(shí)間延遲到規(guī)定期間內(nèi)，從而能最有效地利用缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)，得到大的轉(zhuǎn)矩。詳細(xì)的如后所述，當(dāng)噴射96RON以上的燃料時(shí)，壓縮比為13以上，達(dá)到引起冷焰反應(yīng)的活性化能量以上，通過點(diǎn)火延遲能提高冷焰反應(yīng)引起的發(fā)熱量，提高轉(zhuǎn)矩。
上述火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的幾何壓縮比的上限最好為16。此時(shí)，即使在進(jìn)氣溫度高的低速全負(fù)荷運(yùn)行的情況或?qū)ε瘷C(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再啟動(dòng)的情況等容易產(chǎn)生自點(diǎn)火的情況下維持高的有效壓縮比，也可防止過早點(diǎn)火等的發(fā)生。
較佳的形態(tài)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體利用辛烷值為100RON以上的燃料運(yùn)行，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的幾何壓縮比的上限最好為16.5。此時(shí)，即使在進(jìn)氣溫度高的情況或?qū)ε瘷C(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再啟動(dòng)的情況等容易產(chǎn)生自點(diǎn)火的情況下維持高的有效壓縮比，也可防止過早點(diǎn)火等的發(fā)生。
本發(fā)明的另一形態(tài)的至少具有火花塞的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，包括幾何壓縮比設(shè)定在13.5以上、利用辛烷值為91RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)本體；分別設(shè)置在與所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的氣缸連接的進(jìn)氣口及排氣口上、對(duì)對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣口進(jìn)行開閉的進(jìn)氣氣門及排氣氣門；檢測(cè)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段；以及根據(jù)所述運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段的檢測(cè)，至少執(zhí)行所述火花塞的點(diǎn)火時(shí)間的調(diào)節(jié)控制以及利用進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)控制進(jìn)行的有效壓縮比的調(diào)節(jié)控制的控制手段，該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域至少是在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段對(duì)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)以使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比維持在12.5以上并將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間內(nèi)。在該形態(tài)中，即使在使用辛烷值較低的燃料時(shí)，也可在低速區(qū)域的至少包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，有效利用缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)，得到高的轉(zhuǎn)矩。
利用辛烷值為91RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的幾何壓縮比的上限最好為15.5。此時(shí)，即使在進(jìn)氣溫度高的情況或?qū)ε瘷C(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再啟動(dòng)的情況等容易產(chǎn)生自點(diǎn)火的情況下維持高的有效壓縮比，也可防止過早點(diǎn)火等的發(fā)生。
在幾何壓縮比設(shè)定為14以上的形態(tài)中，當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域?yàn)榈退俚拓?fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將所述有效壓縮比下降到小于13，在從壓縮上止點(diǎn)提前規(guī)定量的時(shí)間使火花塞點(diǎn)火，同時(shí)，所述規(guī)定期間設(shè)定為小于所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間距壓縮上止點(diǎn)的提前量。在該形態(tài)中，在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，將所述有效壓縮比下降到小于13，能可靠地預(yù)防爆燃，并通過使點(diǎn)火時(shí)間與一般的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣從壓縮上止點(diǎn)提前，可實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行區(qū)域相對(duì)應(yīng)的較高的壓縮比情況下的良好的燃燒。因?yàn)槔眠M(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間來改變有效壓縮比，因而可降低泵送損失，節(jié)省燃料費(fèi)。即，當(dāng)通常的壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行進(jìn)氣氣門的延遲關(guān)閉(或提前關(guān)閉)時(shí)，隨著有效壓縮比相當(dāng)程度的降低，燃燒變得不穩(wěn)定。因此，存在可延遲關(guān)閉(或提前關(guān)閉)的范圍限制較多、或EGR無法充分導(dǎo)入等的限制。本發(fā)明中，因?yàn)閹缀螇嚎s比設(shè)定得相當(dāng)高，因此即使有效壓縮比下降，但實(shí)際壓縮比依然較高，燃燒穩(wěn)定性提高。因此，能擴(kuò)大進(jìn)氣氣門的延遲關(guān)閉(或提前關(guān)閉)的范圍，而且若氣門時(shí)間相同，則與低壓縮比的情況相比，可提高EGR率。另一方面，在所述低速區(qū)域的所述節(jié)氣門全開區(qū)域延遲點(diǎn)火時(shí)間時(shí)的延遲量設(shè)定為較小的值。其結(jié)果，在低速區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，在進(jìn)入膨脹行程后，能在避免爆燃的同時(shí)維持極大的轉(zhuǎn)矩。
在幾何壓縮比設(shè)定為14以上的形態(tài)中，設(shè)定在所述控制手段內(nèi)的上述低速區(qū)域是將發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域分成低速、中速、高速這三個(gè)階段時(shí)的低速區(qū)域，上述規(guī)定期間是所述活塞經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍。在該形態(tài)中，將運(yùn)行區(qū)域以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域分割成三個(gè)階段，在其低速轉(zhuǎn)速區(qū)域，調(diào)節(jié)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間以使全開區(qū)域的有效壓縮比維持在13以上，同時(shí)將點(diǎn)火時(shí)間延遲到該活塞經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍內(nèi)，就可實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行區(qū)域相對(duì)應(yīng)的較高的壓縮比情況下的良好的燃燒。不過，發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域的分割并不一定要等分割。
在幾何壓縮比設(shè)定為14以上的形態(tài)中，最好是所述控制手段在中速旋轉(zhuǎn)區(qū)域以上的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)火時(shí)間切換至壓縮上止點(diǎn)之前。
在各形態(tài)中，最好具有將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后時(shí)縮短混合氣的燃燒期間的燃燒期間縮短手段。此時(shí)，通過燃燒期間縮短手段能盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率，抑制時(shí)間損失，能得到大的轉(zhuǎn)矩。
在各形態(tài)中，所述燃燒期間縮短手段最好是使缸內(nèi)生成紊流的紊流生成手段。此時(shí)，通過比較簡單的機(jī)構(gòu)或控制，能盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率、抑制時(shí)間損失、得到大的轉(zhuǎn)矩。
在各形態(tài)中，最好在各氣缸上設(shè)有多個(gè)火花塞，所述燃燒期間縮短手段是使多個(gè)火花塞動(dòng)作的多點(diǎn)點(diǎn)火手段。此時(shí)，通過多點(diǎn)點(diǎn)火可促進(jìn)燃燒速度，能盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率、抑制時(shí)間損失、得到大的轉(zhuǎn)矩。
在各形態(tài)中，最好設(shè)有可通過所述控制手段調(diào)節(jié)外部EGR量的外部EGR系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域至少是低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將外部EGR導(dǎo)入。此時(shí)，通過外部EGR能降低燃燒溫度，因而能避免爆燃，降低冷卻損失，提高熱效率。其結(jié)果，能得到大的轉(zhuǎn)矩并節(jié)省燃料費(fèi)。即，壓縮比高時(shí)，在壓縮行程中，缸內(nèi)溫度急劇上升，容易產(chǎn)生爆燃。而且，急劇產(chǎn)生的熱量被氣缸的壁面等吸收而下降，故熱損失增大。相比之下，將由排氣氣門排出的已燃?xì)怏w導(dǎo)入時(shí)，即使有效壓縮比處于較高的狀態(tài)，燃燒溫度也較低，其結(jié)果可抑制爆燃和熱損失，維持大的轉(zhuǎn)矩并節(jié)省燃料費(fèi)。
在具有所述外部EGR系統(tǒng)的形態(tài)中，至少在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，所述控制手段最好導(dǎo)入外部EGR。此時(shí)，有效壓縮比下降，并能盡可能地降低熱損失，能維持低燃料費(fèi)。
各形態(tài)中，至少在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，所述控制手段最好將所述進(jìn)氣氣門的關(guān)氣門時(shí)間從進(jìn)氣下止點(diǎn)錯(cuò)開規(guī)定量以降低所述壓縮比。此時(shí)，在燃燒狀態(tài)比較容易不穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)域使有效壓縮比降低，確保高膨脹比。其結(jié)果，可防止高壓縮比引起的爆燃，同時(shí)降低泵送損失，節(jié)省燃料費(fèi)。
在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，將所述進(jìn)氣氣門的關(guān)氣門時(shí)間從進(jìn)氣下止點(diǎn)錯(cuò)開規(guī)定量以降低壓縮比的形態(tài)中，設(shè)有可通過控制手段的控制將EGR導(dǎo)入缸內(nèi)的EGR手段，至少是上述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，所述控制手段最好導(dǎo)入EGR。此時(shí)，有效壓縮比下降，同時(shí)能盡可能地降低熱損失，維持低燃料費(fèi)。即，壓縮比高時(shí)，在壓縮行程中，缸內(nèi)溫度急劇上升。在此，急劇產(chǎn)生的熱量被氣缸的壁面等吸收而下降，故熱損失增大。相比之下，將由排氣氣門排出的已燃?xì)怏w導(dǎo)入時(shí)，有效壓縮比下降，且燃燒溫度降低，其結(jié)果可抑制熱損失，維持低燃料費(fèi)。
在設(shè)有可通過控制手段的控制將EGR導(dǎo)入缸內(nèi)的EGR手段的形態(tài)中，在所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，所述控制手段最好將空燃比設(shè)定為理論空燃比。如上所述，通過高壓縮比條件下的有效壓縮比的降低，可確保高膨脹比，即使在理論空燃比的情況下運(yùn)行也可充分降低燃料費(fèi)，在排氣通路上能配置與NOx催化劑相比廉價(jià)且凈化率高的三元催化劑，因而即使在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中也可發(fā)揮足夠的排氣性能。
在設(shè)有可通過控制手段的控制將EGR導(dǎo)入缸內(nèi)的EGR手段的形態(tài)中，設(shè)定在所述控制手段內(nèi)的所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域最好包含怠速運(yùn)行區(qū)域。此時(shí)，即使在使用頻度高的怠速運(yùn)行區(qū)域中也可維持低燃料費(fèi)。
在各形態(tài)中，最好具有推測(cè)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的缸內(nèi)溫度的缸內(nèi)溫度推測(cè)手段，在冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)，所述控制手段將進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間設(shè)定在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近，并調(diào)節(jié)控制進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間以提高有效壓縮比以及確保足夠的進(jìn)氣。此時(shí)，通過提高有效壓縮比并確保足夠的進(jìn)氣，可提高體積效率，能得到良好的著火/燃燒性能和提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所需的足夠的轉(zhuǎn)矩。
在各形態(tài)中，最好具有檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速的發(fā)動(dòng)機(jī)加速檢測(cè)手段，從低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行急加速時(shí)，所述控制手段將點(diǎn)火時(shí)間一下子延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間的最大允許值。此時(shí)，可避免急加速時(shí)吸入的高溫新鮮空氣引起的爆燃。
在本發(fā)明的另一形態(tài)中，設(shè)有可通過所述控制手段控制噴射時(shí)間的燃料噴射閥，所述燃料噴射閥是將燃料朝所述火花塞的電極附近噴射的直噴型。
在使用直噴型的燃料噴射閥的形態(tài)中，設(shè)有可通過所述控制手段控制噴射時(shí)間的燃料噴射閥，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域是低速區(qū)域的至少從規(guī)定的中負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域至包含節(jié)氣門全開區(qū)域的中高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段最好執(zhí)行將燃料在從進(jìn)氣行程至壓縮行程的規(guī)定期間內(nèi)進(jìn)行多次噴射的分割噴射。此時(shí)，通過分割燃料噴射，在進(jìn)氣行程噴射出的燃料的氣化霧化得到促進(jìn)，能在燃燒室內(nèi)形成弱分層的混合氣，可縮短燃燒時(shí)間、提高輸出功率和節(jié)省燃料費(fèi)。
在使用直噴型的燃料噴射閥的形態(tài)中，最好在所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的活塞頂面設(shè)有隆起部和凹部，所述隆起部形成在所述頂面的周邊部，在從壓縮上止點(diǎn)進(jìn)入膨脹行程時(shí)生成逆擠壓流，而所述凹部形成在所述頂面中央部分，所述控制手段對(duì)燃料噴射閥進(jìn)行控制，以在壓縮行程噴射燃料。此時(shí)，在至壓縮行程的過程中，通過在活塞的頂面中央部分形成的凹部，能確保噴射出的燃料的飛行空間，從而在膨脹行程初期，在活塞的周邊部分形成逆擠壓流。其結(jié)果，可縮短燃燒期間、防止爆燃、盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率、抑制時(shí)間損失、有助于提高轉(zhuǎn)矩和節(jié)省燃料費(fèi)。而且，在有效壓縮比εr為13以上的運(yùn)行區(qū)域中，凹部有助于經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后燃燒室中的冷焰生成，也成為進(jìn)一步提高輸出功率的要素。
本發(fā)明的另一形態(tài)，最好設(shè)有進(jìn)氣口式燃料噴射閥，其設(shè)于所述進(jìn)氣口，可通過所述控制手段來控制噴射時(shí)間，在所述低速區(qū)域的低中負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將所述有效壓縮比降低到小于13，并將點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定在壓縮上止點(diǎn)之前的規(guī)定期間內(nèi)。
在設(shè)有進(jìn)氣口式燃料噴射閥的形態(tài)中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的每個(gè)氣缸都具有活塞，該活塞具有在頂面中央部分形成的凹部。在該形態(tài)中，在有效壓縮比εr為13以上的運(yùn)行區(qū)域中，凹部有助于經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后燃燒室中的冷焰生成，也成為進(jìn)一步提高輸出功率的要素。
本發(fā)明的這些和另外的目的、特征、優(yōu)點(diǎn)將會(huì)通過對(duì)以下參照附圖的詳細(xì)說明的閱讀變得更清楚。


圖1是表示高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的點(diǎn)火延遲的一個(gè)例子的曲線圖。
圖2是表示用于說明本發(fā)明開發(fā)過程中的假設(shè)的曲柄角度和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的曲線圖。
圖3是表示點(diǎn)火時(shí)間和IMEP的關(guān)系的仿真結(jié)果的曲線圖。
圖4是表示在壓縮比為11、13、14、15的發(fā)動(dòng)機(jī)中，在經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后8℃A點(diǎn)火時(shí)的發(fā)熱率和曲柄角度的關(guān)系的曲線圖。
圖5是高壓縮比情況下經(jīng)過了壓縮上止點(diǎn)后的燃燒過程的模擬曲線圖，上圖表示壓力和時(shí)間的關(guān)系，下圖表示莫爾數(shù)增加比例和時(shí)間的關(guān)系。
圖6是表示到達(dá)壓縮上止點(diǎn)時(shí)燃燒室的溫度分布的等高線。
圖7是表示燃燒時(shí)缸內(nèi)壓力和周圍部分的剩余廢氣部分的絕熱壓縮溫度的變化經(jīng)過的曲線圖，上圖表示壓力和曲柄角度的關(guān)系，下圖表示剩余廢氣溫度和曲柄角度的關(guān)系。
圖8是表示壓縮比為14時(shí)的發(fā)熱率和曲柄角度的關(guān)系的曲線圖。
圖9是基于數(shù)值模擬的壓縮比為14時(shí)的PV線圖。
圖10是將壓縮比和由冷焰反應(yīng)引起的發(fā)熱量的關(guān)系按各辛烷值表示的曲線圖。
圖11是將根據(jù)圖10的曲線圖計(jì)算得到的壓縮比和圖示平均有效壓力(IMEP)的關(guān)系按各辛烷值表示的曲線圖。
圖12是表示采用了可變氣門配氣正時(shí)系統(tǒng)時(shí)的幾何壓縮比和有效壓縮比的關(guān)系的曲線圖。
圖13是表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的控制裝置的概要構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。
圖14是表示圖13的四循環(huán)火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)氣缸的結(jié)構(gòu)的剖面簡圖。
圖15是將氣缸放大表示的俯視簡圖。
圖16A是表示壓縮行程初期的本實(shí)施形態(tài)的燃燒室的氣流的說明圖。
圖16B是表示膨脹行程初期的本實(shí)施形態(tài)的燃燒室的氣流的說明圖。
圖17是表示圖13的實(shí)施形態(tài)的氣門機(jī)構(gòu)的具體構(gòu)成的立體圖。
圖18A是表示大氣門升程控制狀態(tài)下升程為0時(shí)圖17的氣門機(jī)構(gòu)的主要部分的剖視圖。
圖18B是表示大氣門升程控制狀態(tài)下升程為最大時(shí)圖17的氣門機(jī)構(gòu)的主要部分的剖視圖。
圖18C是表示小氣門升程控制狀態(tài)下升程為0時(shí)圖17的氣門機(jī)構(gòu)的主要部分的剖視圖。
圖18D是表示小氣門升程控制狀態(tài)下升程為最大時(shí)圖17的氣門機(jī)構(gòu)的主要部分的剖視圖。
圖19A是示意性地表示在大氣門升程控制位置的圖18B的控制狀態(tài)。
圖19B是示意性地表示在小氣門升程控制位置的圖18D的控制狀態(tài)。
圖20是表示圖13的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的曲線圖。
圖21是表示圖13的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的有效壓縮比的控制例的時(shí)圖。
圖22是表示圖13的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的一例點(diǎn)火時(shí)間的曲線圖。
圖23A是圖13的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的燃料噴射時(shí)間，是例示了實(shí)現(xiàn)弱分層的混合氣形成用的分割噴射的一個(gè)例子的曲線圖。
圖23B是圖13的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的燃料噴射時(shí)間，是例示了實(shí)現(xiàn)分層的混合氣形成用的分割噴射的一個(gè)例子的曲線圖。
圖24是表示圖13的實(shí)施形態(tài)的控制流程的流程圖。
圖25是表示圖13的實(shí)施形態(tài)的控制流程的流程圖。
圖26是與圖13的實(shí)施形態(tài)相關(guān)的PV線圖。
圖27是表示使用了帶空轉(zhuǎn)功能的氣門機(jī)構(gòu)的控制例的曲線圖。
圖28是表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的作為進(jìn)氣加熱手段的進(jìn)氣加熱系統(tǒng)的構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。
圖29是表示圖28的實(shí)施形態(tài)的作為進(jìn)氣加熱手段的進(jìn)氣加熱系統(tǒng)的構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。
圖30是表示本發(fā)明的進(jìn)氣口噴射式的四循環(huán)火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)氣缸的結(jié)構(gòu)的剖面簡圖。
圖31是將氣缸放大表示的俯視簡圖。
圖32A是表示壓縮行程初期的本實(shí)施形態(tài)的燃燒室的氣流的說明圖。
圖32B是表示膨脹行程初期的本實(shí)施形態(tài)的燃燒室的氣流的說明圖。
圖33是表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
(高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒輸出功率機(jī)理)首先，對(duì)本發(fā)明的高壓縮比和爆燃抑制的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)敘述。
本案發(fā)明人在研究爆燃和幾何壓縮比的關(guān)系的過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)將壓縮比提高到由爆燃極限決定的點(diǎn)火時(shí)間成為壓縮上止點(diǎn)以后時(shí)，為了防止爆燃而延遲的點(diǎn)火時(shí)間的延遲量減少，壓縮比提高量所帶來的輸出功率上升量遠(yuǎn)大于為防止爆燃而延遲點(diǎn)火時(shí)間所引起的輸出功率的下降這樣的現(xiàn)象。對(duì)于該現(xiàn)象，本案發(fā)明人設(shè)立了以下假設(shè)如圖2的圓點(diǎn)所示，當(dāng)壓縮比為13以上時(shí)，上述延遲量在較小的行程范圍內(nèi)遞減。
該假設(shè)是根據(jù)以下想法而來的當(dāng)將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)以后時(shí)，盡管通過提高壓縮比會(huì)使壓縮上止點(diǎn)處的壓力、溫度一度上升，但通過點(diǎn)火延遲，缸內(nèi)的剩余廢氣(endgas)在產(chǎn)生自燃(autoignition)之前活塞急劇下降，壓力、溫度下降，故自燃難以發(fā)生。
為了驗(yàn)證該假設(shè)，本案發(fā)明人利用數(shù)值模擬方法，對(duì)圖示平均有效壓力(IMEP)和點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了模擬，得到了圖3所示的曲線圖。
如圖3所示的數(shù)值模擬可見，壓縮比11與12相比，12與13相比時(shí)，IMEP稍許上升，與其相對(duì)，13與14相比時(shí)，IMEP上升較大，14與15相比時(shí)，IMEP的上升比例比13至14的情況減小。為了驗(yàn)證該輸出功率變化，本案發(fā)明人研究了各壓縮比情況下的發(fā)熱率。
如圖4所示，壓縮比為11、13時(shí)，壓縮上止點(diǎn)至點(diǎn)火時(shí)間的發(fā)熱率緩慢上升，與其相對(duì)，壓縮比為14時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間稍前的發(fā)熱率有很大的上升。從該結(jié)果可見，通過將壓縮比從某一值(96RON時(shí)ε＝13)提高設(shè)定為某一值(96RON時(shí)ε＝14)，活塞上升引起的壓力上升，產(chǎn)生伴隨超過周圍的冷損的微量的發(fā)熱反應(yīng)的冷焰反應(yīng)。
從圖3及圖4的結(jié)果可見，當(dāng)高壓縮比、點(diǎn)火時(shí)間延遲至壓縮上止點(diǎn)以后時(shí)，壓縮上止點(diǎn)以后的燃燒過程中會(huì)發(fā)生多級(jí)著火，尤其是在規(guī)定的壓縮比(例如辛烷值為96RON，幾何壓縮比為14時(shí))時(shí)，冷焰反應(yīng)顯著。以下對(duì)冷焰反應(yīng)帶來的抑制爆燃惡化的效果進(jìn)行說明。
圖5是對(duì)高壓縮比情況下經(jīng)過了壓縮上止點(diǎn)以后的燃燒過程進(jìn)行模擬得到的曲線圖，上圖表示壓力和時(shí)間的關(guān)系，下圖表示莫爾數(shù)增加比例和時(shí)間的關(guān)系。該計(jì)算值是通過準(zhǔn)備高溫高壓的定容量器，以時(shí)間變化計(jì)算壓力和莫爾數(shù)的變化所得到的。
如圖5所示，當(dāng)活塞經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后經(jīng)過時(shí)間達(dá)到t1時(shí)，發(fā)生冷焰反應(yīng)，壓力稍許上升。在發(fā)生該冷焰反應(yīng)期間，體積一定，莫爾數(shù)增加，故從理想氣體的狀態(tài)方程式PV＝nRT (1-1)(其中，P壓力，V體積，n莫爾數(shù)，R氣體常數(shù)，T溫度)可見，未產(chǎn)生壓力上升程度那樣的溫度上升。因此，在這樣的與溫度的關(guān)系情況下，缸內(nèi)的剩余廢氣中的溫度上升也未達(dá)到壓力上升那樣的程度，難以發(fā)生自燃。燃燒室(定容量器)中，在經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后(t2)，出現(xiàn)通過連鎖反應(yīng)而產(chǎn)生熱焰反應(yīng)，壓力急劇上升這樣的多級(jí)點(diǎn)火現(xiàn)象。
下面，活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)溫度如圖6那樣變化。
如圖6所示，活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)時(shí)的燃燒室，中央部因冷焰反應(yīng)而處于高溫，周圍部分(剩余廢氣部分)受到壁溫的影響而難以繼續(xù)冷焰反應(yīng)，故周圍部分的缸內(nèi)溫度停留在800K左右。因此，在發(fā)生冷焰反應(yīng)過程中，周圍部分的缸內(nèi)溫度以相對(duì)低溫的狀態(tài)持續(xù)燃燒，從而可抑制爆燃惡化。
接著，在燃燒室內(nèi)冷焰反應(yīng)持續(xù)期間會(huì)產(chǎn)生甲醛(HCHO)。該甲醛在燃燒室溫度為900K以下時(shí)吸收成為爆燃原因的OH基，從而能抑制爆燃。
圖7是表示燃燒時(shí)缸內(nèi)壓力和周圍部分的剩余廢氣部分的絕熱壓縮溫度的變化經(jīng)過的曲線圖，上圖表示壓力和曲柄角度的關(guān)系，下圖表示剩余廢氣溫度和曲柄角度的關(guān)系，實(shí)線是進(jìn)氣口噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，假想線是直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的特性。
如圖7所示，某一氣缸的活塞從下止點(diǎn)經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)再到下止點(diǎn)的過程中，隨著從壓縮上止點(diǎn)上升規(guī)定曲柄角度，壓力和溫度也同時(shí)上升，但只要進(jìn)氣溫度不高到極限，燃燒室的剩余廢氣部分的溫度不會(huì)超過900K。由此，發(fā)現(xiàn)即使是由爆燃極限決定的點(diǎn)火時(shí)間為壓縮上止點(diǎn)以后的、壓縮比高的發(fā)動(dòng)機(jī)，因發(fā)生多級(jí)著火現(xiàn)象，冷焰反應(yīng)中生成的甲醛有助于抑制爆燃。
如上所述，由爆燃極限決定的點(diǎn)火時(shí)間為壓縮上止點(diǎn)以后的、壓縮比高的發(fā)動(dòng)機(jī)中，作為爆燃抑制機(jī)理有以下三個(gè)方面起作用(1)燃燒室中，冷焰反應(yīng)期間溫度上升并未達(dá)到壓力上升那樣的程度；(2)冷焰反應(yīng)主要在燃燒室的中央部發(fā)生，故剩余廢氣部分的溫度相對(duì)較低；(3)活塞經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后燃燒室也在規(guī)定溫度(900K)以下，故甲醛消耗OH基。
為此，本案發(fā)明人將這些爆燃抑制機(jī)理與現(xiàn)有的基于化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算相結(jié)合，計(jì)算了爆燃極限。
圖3的圓點(diǎn)表示各壓縮比的爆燃極限的模擬結(jié)果。如圖3的圓點(diǎn)所示，各壓縮比11～15情況下的爆燃極限，在將壓縮比11與12相比時(shí)，將12與13相比時(shí)，延遲量基本相同，與其相對(duì)，將13與14相比時(shí)，延遲量幾乎沒有變化。進(jìn)一步將14與15相比時(shí)，延遲量又重新增加。
從這些結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用于抑制爆燃的延遲量取決于冷焰反應(yīng)的發(fā)熱量，以某一壓縮比為峰值而遞減，當(dāng)超過該壓縮比后又重新增加。
接著本案發(fā)明人對(duì)冷焰反應(yīng)和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系進(jìn)行了模擬。
圖8是表示壓縮比為14時(shí)的發(fā)熱率和曲柄角度的關(guān)系的曲線圖，圖9是數(shù)值模擬得到的壓縮比為14時(shí)的PV線圖。在各圖中，C11是與實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)相同地在經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后產(chǎn)生冷焰反應(yīng)的情況，C12是表示故意沒有發(fā)生冷焰反應(yīng)的情況。
如圖8所示，通過點(diǎn)火延遲，在經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后發(fā)生冷焰反應(yīng)時(shí)，從剛經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后發(fā)熱率就緩慢增大，點(diǎn)火后(經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后8℃A)發(fā)熱率不伴隨過早點(diǎn)火上升。
以此為前提，對(duì)PV特性運(yùn)算的結(jié)果如圖9所示，PV特性中，在經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后的壓力維持高壓的狀態(tài)下燃燒，與沒有發(fā)生冷焰反應(yīng)的情況相比，降低了時(shí)間損失。
從這些模擬結(jié)果可見，在將壓縮比設(shè)定得較高、且將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)以后的情況下，在壓縮比為14時(shí)，可提高冷焰反應(yīng)引起的發(fā)熱率的上升，降低時(shí)間損失，能得到高的轉(zhuǎn)矩。
接著，本案發(fā)明人對(duì)上述那樣的壓縮比和爆燃極限的關(guān)系隨辛烷值如何變化進(jìn)行了研究。
參照?qǐng)D10，將辛烷值與壓縮比進(jìn)行組合，對(duì)冷焰反應(yīng)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果是使用辛烷值為96RON的燃料時(shí)，壓縮比為12.5以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)顯著，壓縮比為15以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)遞減。根據(jù)該實(shí)測(cè)值，對(duì)91RON、100RON的情況進(jìn)行了運(yùn)算，在使用辛烷值為91RON的燃料時(shí)，壓縮比為12.0以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)顯著，壓縮比為14.5以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)遞減，在使用辛烷值為100RON的燃料時(shí)，壓縮比為13.0以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)顯著，壓縮比為15.5以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)遞減。根據(jù)該圖10的曲線圖，針對(duì)各辛烷值算出了爆燃發(fā)生點(diǎn)的輸出功率。
參照?qǐng)D11，在使用辛烷值為96RON的燃料時(shí)，壓縮比為13以上15以下的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷焰反應(yīng)顯著，通過該冷焰反應(yīng)所帶來的時(shí)間損失的減小和爆燃惡化的抑制效果隨著壓縮比的提高量，輸出功率也提高。同樣，在使用辛烷值為100RON的燃料時(shí)，壓縮比為13.5以上15以下的發(fā)動(dòng)機(jī)中，以及在使用辛烷值為91RON的燃料時(shí)，壓縮比為12.5以上13.5以下的發(fā)動(dòng)機(jī)中，分別比冷焰反應(yīng)發(fā)生之前的壓縮比的輸出功率得到提高。
尤其是驗(yàn)證了辛烷值為96RON、100RON的燃料中，在冷焰反應(yīng)發(fā)生最顯著的壓縮比14附近輸出功率得到提高。
接著，對(duì)壓縮比的上限進(jìn)行說明。
采用在壓縮上止點(diǎn)以后延遲點(diǎn)火的壓縮比，冷焰反應(yīng)引起的輸出功率上升，但在溫度和壓力高、時(shí)間長時(shí)，容易發(fā)生過早點(diǎn)火。例如，暖機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在停車場(chǎng)等一度停止，在進(jìn)氣溫度正在上升時(shí)再次啟動(dòng)時(shí)，有時(shí)進(jìn)氣溫度會(huì)異常增大，此時(shí)，燃燒室的溫度急劇上升，有時(shí)會(huì)發(fā)生過早點(diǎn)火。另外，最近，具有可調(diào)節(jié)進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間的可變氣門配氣正時(shí)系統(tǒng)(VVT)的發(fā)動(dòng)機(jī)也已經(jīng)普及了，但在低速時(shí)的節(jié)氣門全開區(qū)域，進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間是在經(jīng)過進(jìn)氣下止點(diǎn)后30℃A以下，故如圖12所示，有效壓縮比與幾何壓縮比之差為1以下。因此，即使采用改變進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間的手法，有效壓縮比的能降低范圍也是有限的，最好預(yù)先按照某一基準(zhǔn)設(shè)定幾何壓縮比的上限。另外，對(duì)于不同的運(yùn)行情況，也存在無法降低有限壓縮比的低速高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域。為此，本發(fā)明中，通過按表1設(shè)定幾何壓縮比、有效壓縮比、辛烷值的組合，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出功率的提高和爆燃的抑制。
表1

近年來，開發(fā)了生物燃料，利用乙醇、甲醇和食用油等制作甲酯等，將其作為汽車用燃料加以利用，即使是使用生物燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，辛烷值也有提高的趨勢(shì)，故可應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)思想。
通過以上的認(rèn)識(shí)，完成了以下所示的實(shí)施形態(tài)。
(實(shí)施形態(tài))以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。
參照?qǐng)D13及圖14，本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的四循環(huán)火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)10包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體20；用于控制該發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的控制單元100。
發(fā)動(dòng)機(jī)本體20一體地具有旋轉(zhuǎn)自如地支撐曲柄軸21的氣缸體22和配置在氣缸體22上部的氣缸蓋23，在這些氣缸體22及氣缸蓋23上設(shè)有多個(gè)氣缸24。
在各氣缸24內(nèi)設(shè)有通過連桿25與曲柄軸21連接的活塞26?；钊?6與氣缸體22及氣缸蓋23一起在氣缸24的頂部分割出燃燒室27。本實(shí)施形態(tài)中，各氣缸24的幾何壓縮比設(shè)定為14。
參照?qǐng)D14，本實(shí)施形態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)本體20，從該曲柄軸21的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛肄D(zhuǎn)的一側(cè)(即圖14的狀態(tài))看，氣缸24的氣缸內(nèi)經(jīng)中心Z(參照?qǐng)D15)從曲柄軸21的旋轉(zhuǎn)中心O向右偏置。在氣缸24的內(nèi)徑為70mm時(shí)，該偏置量S例如設(shè)定為1mm～2mm。
參照?qǐng)D15，在氣缸蓋23的下表面構(gòu)成各個(gè)氣缸24的燃燒室27的天花板部。該天花板部構(gòu)成具有從中央部延伸至氣缸蓋23下端的兩個(gè)傾斜面的所謂屋脊型屋頂。
在氣缸蓋23上設(shè)有燃料噴射閥32，該燃料噴射閥32配置在燃燒室27的側(cè)部，接收來自控制單元100的燃料噴射脈沖，將對(duì)應(yīng)該脈沖寬度的燃料向燃燒室27噴射。
在各氣缸24上配置有三個(gè)火花塞34，該火花塞34固定在氣缸蓋23上，向燃燒室27內(nèi)發(fā)出火花。各火花塞34沿與活塞26的棱線部分平行的氣缸直徑排列，中央的火花塞34設(shè)置在氣缸內(nèi)徑中心Z上，兩側(cè)的火花塞34設(shè)置在燃燒室27的側(cè)緣?？衫秒娮涌刂七M(jìn)行點(diǎn)火時(shí)間的控制的點(diǎn)火回路35(參照?qǐng)D14)與各火花塞34連接，該點(diǎn)火回路35被控制單元100控制，從而火花塞34被有選擇地點(diǎn)火控制。
參照?qǐng)D15及圖16A～圖16B，在構(gòu)成上述燃燒室27的天花板部的一個(gè)傾斜面(圖16A、圖16B中右側(cè)的傾斜面)27a上開設(shè)有分別獨(dú)立的兩個(gè)一組的進(jìn)氣口28，在另一個(gè)傾斜面(圖16A、圖16B中左側(cè)的傾斜面)27b上開設(shè)有兩個(gè)排氣口29，在各進(jìn)排氣口28、29的開口端設(shè)有進(jìn)氣氣門30及排氣氣門31。上述進(jìn)氣口28是分別從燃燒室27沿圖16的右斜上方直線延伸的直排口，圖16所示的截面呈越往進(jìn)氣上游側(cè)越離開氣缸內(nèi)徑中心Z的形狀。
在上述活塞26的頂面設(shè)有擠氣區(qū)構(gòu)成面26a、26b，該擠氣區(qū)構(gòu)成面26a、26b在進(jìn)氣側(cè)的周緣部的規(guī)定范圍及排氣側(cè)的周緣部的規(guī)定范圍內(nèi)沿氣缸蓋23的傾斜面傾斜。此外，在該擠氣區(qū)構(gòu)成面26a、26b的內(nèi)側(cè)設(shè)有隆起部33隆起部33設(shè)置在包含進(jìn)氣氣門30及排氣氣門31的投影面在內(nèi)的規(guī)定范圍。該隆起部33的山腳部分形成為具有與燃燒室天花板部的兩個(gè)傾斜面27a、27b基本平行的一對(duì)傾斜面33a、33b的山形。兩個(gè)傾斜面33a、33b隆起成與燃燒室27的頂面對(duì)應(yīng)的單斜面屋頂狀，成為在與頂面的棱線17c對(duì)應(yīng)的部分具有頂部31c的形狀。在該活塞頂面的頂部31c與其兩側(cè)的斜面31a、31b之間形成有凹部264。該凹部264的底面成為近似于球面的彎曲面。凹部264的俯視形狀接近圓形，是沿頂部(棱線)31c的方向的直徑稍短，與其正交的方向的直徑稍長的橢圓形。
因此本實(shí)施形態(tài)能起到以下的作用。
即，隨著進(jìn)氣行程中活塞26的下降而吸入燃燒室27內(nèi)的進(jìn)氣如圖16A的Ta1、Ta2所示，形成兩種氣流。一種氣流Ta1主要從進(jìn)氣口28開口的靠近火花塞34的一側(cè)流入燃燒室27，朝排氣側(cè)的燃燒室周壁面流動(dòng)，接著沿排氣側(cè)周壁面朝下方，隨后沿活塞頂面流向進(jìn)氣側(cè)，從那里流向上方。另一種氣流Ta2是從狹通道的氣缸內(nèi)徑周緣側(cè)流出的弱的氣流。通過這些氣流Ta1、Ta2，如圖16B所示，生成朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的正滾轉(zhuǎn)流Ta1、以及朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的逆滾轉(zhuǎn)流Ta2。
接著進(jìn)入壓縮行程，隨著活塞26的上升，正逆滾轉(zhuǎn)流Ta1、Ta2一邊在燃燒室27內(nèi)沿上下方向被壓縮，下游側(cè)一邊從氣缸內(nèi)徑的中央側(cè)相互朝相反方向回轉(zhuǎn)。
在壓縮行程初期至中期階段，正滾轉(zhuǎn)流Ta1與逆滾轉(zhuǎn)流Ta2相比更大更強(qiáng)，隨著壓縮行程的進(jìn)行，活塞26接近燃燒室的天花板部分，正滾轉(zhuǎn)流Ta1的中心逐漸朝排氣側(cè)移動(dòng)并減小。在活塞26處于上止點(diǎn)附近的壓縮行程結(jié)束期至膨脹行程初期，正逆滾轉(zhuǎn)流Ta1、Ta2成為以同等程度的大小及強(qiáng)度朝燃燒室27內(nèi)的排氣側(cè)和進(jìn)氣側(cè)分開，相互反方向回轉(zhuǎn)的狀態(tài)。在活塞26接近上止點(diǎn)的壓縮行程結(jié)束期，通過這些正逆滾轉(zhuǎn)流Ta1、Ta2，從燃燒室天花板部的傾斜面27a、27b和活塞頂面之間的擠氣區(qū)朝燃燒室27中央部側(cè)的方向(與圖16B中的白色箭頭Ra、Rb相反的方向)產(chǎn)生正擠壓流，在活塞26到達(dá)上止點(diǎn)后開始下降的膨脹行程初期，產(chǎn)生圖16B中的白色箭頭所示的從燃燒室27中央部側(cè)朝上述擠氣區(qū)的逆擠壓流Ra、Rb。
此時(shí)，正逆滾轉(zhuǎn)流Ta1、Ta2成為與正擠壓流反向、與逆擠壓流Ra、Rb同向的流動(dòng)，從而使壓縮行程結(jié)束期的正擠壓流減弱，逆擠壓流的生成提早，并發(fā)揮強(qiáng)化逆擠壓流Ra、Rb的作用。
通過這樣強(qiáng)化逆擠壓流Ra、Rb，能充分提高擠氣區(qū)內(nèi)的燃燒速度，火焰的主燃燒速度提高，可實(shí)現(xiàn)急速燃燒。而且，通過適度減弱正滾轉(zhuǎn)流Ta1，初期燃燒速度不怎么增大，也不會(huì)引發(fā)剩余廢氣區(qū)域的混合氣的自燃。即，通過使初期燃燒期間不太縮短地大幅度縮短主燃燒期間，預(yù)先抑制爆燃并通過急速燃燒降低時(shí)間損失，提高熱效率。
此外，因?yàn)樯鲜鲆粚?duì)傾斜面33a、33b與燃燒室天花板部的傾斜面27a、27b平行，故它們之間的空間內(nèi)火焰進(jìn)行均勻地傳播，對(duì)防止爆震也有效。
此外，因?yàn)樾纬捎杏糜诖_保朝活塞26頂面中央部分噴射的燃料的飛行空間的凹部264，故在噴射燃料的時(shí)刻在缸內(nèi)生成混合氣的紊亂，可進(jìn)一步縮短燃燒期間。另外，在以有效壓縮比εr為13以上運(yùn)行的運(yùn)行區(qū)域，該凹部264有助于壓縮上止點(diǎn)經(jīng)過后燃燒室27的冷焰生成，也成為進(jìn)一步提高輸出功率的因素。
各進(jìn)氣氣門30是由氣門機(jī)構(gòu)40驅(qū)動(dòng)的構(gòu)成。氣門機(jī)構(gòu)40包括可無級(jí)地改變進(jìn)氣氣門30的開閉時(shí)間的Variable Camshaft Timing mechanism(可變凸輪軸正時(shí)機(jī)構(gòu))(VCT)42；可無級(jí)地改變進(jìn)氣氣門30的升程(開氣門量)的Variable Valve Event(變充氣作用)(VVE)43。
參照?qǐng)D17，氣門機(jī)構(gòu)40具有沿各氣缸24排列的方向(參照?qǐng)D1)延伸的凸輪軸41a，VCT42和VVE43組裝在該凸輪軸41a上。
VCT42包括固定在凸輪軸41a的端部上的轉(zhuǎn)子(輸入構(gòu)件)42a；與轉(zhuǎn)子42a外周同心配置的外殼(輸出構(gòu)件)42b；固定在該外殼42b上并相對(duì)上述凸輪軸41a的外周轉(zhuǎn)動(dòng)自如地配置在該凸輪軸41a的外周上的鏈輪42c。在鏈輪42c上卷繞有從曲柄軸21(參照?qǐng)D13)傳遞驅(qū)動(dòng)力的鏈條42d。在轉(zhuǎn)子42a和外殼42b之間形成未圖示的工作油室，轉(zhuǎn)子42a和外殼42b通過電磁閥42e的油壓控制，可在一體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作或相對(duì)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作之間切換。由此，VCT42構(gòu)成可同時(shí)改變進(jìn)氣氣門30的開氣門開始時(shí)間及關(guān)氣門時(shí)間的動(dòng)作時(shí)間可變機(jī)構(gòu)。如后所述，電磁閥42e由控制單元100驅(qū)動(dòng)控制，通過該驅(qū)動(dòng)控制，轉(zhuǎn)子42a與外殼42b成為連接/不連接的狀態(tài)。
VVE43具有設(shè)置在各進(jìn)氣氣門30上的一對(duì)進(jìn)氣凸輪43a、43b。各進(jìn)氣凸輪43a固定在上述凸輪軸41a上。另一方的進(jìn)氣凸輪43b通過凸輪軸頸43c可相對(duì)旋轉(zhuǎn)自如地安裝在凸輪軸41a上。
參照?qǐng)D17及圖18A～圖18D，為了使可相對(duì)旋轉(zhuǎn)自如地安裝在凸輪軸41a上的進(jìn)氣凸輪43b與一方的進(jìn)氣凸輪43a同步，在凸輪軸41a上固定有針對(duì)各氣缸24設(shè)置的偏心凸輪43d。從圖18A～圖18D可見，該偏心凸輪43d相對(duì)凸輪軸41a偏心。偏置鏈節(jié)43e轉(zhuǎn)動(dòng)自如地安裝在偏心凸輪43d的外周。徑向突出的突部43f一體地設(shè)置在偏置鏈節(jié)43e的外周部上。與凸輪軸41a平行的連接銷43g貫通該突部43f，鏈節(jié)臂43h、43i的一端部通過該連接銷43g可轉(zhuǎn)動(dòng)自如地分別安裝在偏置鏈節(jié)43e的兩個(gè)側(cè)面上。一方的鏈節(jié)臂43h用于將偏置鏈節(jié)43e與上述進(jìn)氣凸輪43b連接，其另一端部通過與凸輪軸41a平行的銷43j轉(zhuǎn)動(dòng)自如地與進(jìn)氣凸輪43b的鼓出部附近的部分連接。而另一方的鏈節(jié)臂43i用于將偏置鏈節(jié)43e與改變偏置鏈節(jié)43e的相位的偏心軸43k連接，另一端部通過與凸輪軸41a平行的銷43n轉(zhuǎn)動(dòng)自如地與固定在該偏心軸43k上的控制臂43m的端部連接。
如圖17所示，扇形蝸輪43p固定在偏心軸43k的中途部，與該蝸輪43p嚙合的蝸輪副43q由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)43r驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。如后所述，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)43r由控制單元100驅(qū)動(dòng)控制，通過該驅(qū)動(dòng)控制，控制臂43m的相位得到確定，由此，偏置鏈節(jié)43e的相位得到確定，故驅(qū)動(dòng)挺桿36的進(jìn)氣凸輪43b的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡在該進(jìn)氣氣門30的軸向上發(fā)生變化，可無級(jí)地改變氣門升程。
參照?qǐng)D18B，設(shè)置在各進(jìn)氣氣門30的氣門柱30a上的挺桿36固定在進(jìn)氣氣門30的氣門柱30a的端部上。另一方面，進(jìn)氣氣門30的氣門柱30a由周知的氣門導(dǎo)向件30b引導(dǎo)。在該氣門導(dǎo)向件30b的外周一體地形成有彈簧座部30c，縮設(shè)在該挺桿36內(nèi)部進(jìn)深處的彈簧座部36a和該彈簧座部30c之間的氣門彈簧30d頂在該彈簧座部30c上。
上述進(jìn)氣凸輪43b與該挺桿36接觸，受到氣門彈簧30d的施力。
在該狀態(tài)下，如圖18A及圖18B所示，偏心軸43k及控制臂43m在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)43r的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)銷43n位于偏心軸43k下方時(shí)，進(jìn)氣凸輪43b的擺動(dòng)角增大，成為升程峰值情況下氣門升程最大的大升程控制狀態(tài)。從此狀態(tài)開始，通過控制臂43m等的轉(zhuǎn)動(dòng)，使銷43n朝上方移動(dòng)，進(jìn)氣凸輪43b的擺動(dòng)角相應(yīng)地減小，如圖18C及圖18D所示，當(dāng)銷43n位于凸輪軸41a的上方位置時(shí)，成為氣門升程最小的小升程控制狀態(tài)。
在圖18A及圖18B所示的大升程控制狀態(tài)下，進(jìn)氣凸輪43b在以下兩種狀態(tài)之間擺動(dòng)如圖18B所示，利用凸輪尖的頂端側(cè)推壓挺桿36，通過該挺桿36使進(jìn)氣氣門30較大地提升的升程峰值的狀態(tài)(進(jìn)氣凸輪43b通過挺桿36使進(jìn)氣氣門30較大地提升的狀態(tài))；如圖18D所示，使進(jìn)氣氣門30的升程為0的狀態(tài)。小升程控制狀態(tài)即圖18C及圖18D的情況也同樣在升程峰值狀態(tài)(利用凸輪尖的頂端側(cè)推壓挺桿36)和升程為0的狀態(tài)之間擺動(dòng)(參照?qǐng)D18C及圖18D)。
在圖19A及圖19B中，對(duì)控制臂43m、連接鏈節(jié)43h及鏈節(jié)臂43i簡單地用直線表示，對(duì)偏心凸輪43d的中心(偏置鏈節(jié)43e的外輪中心)的旋轉(zhuǎn)軌跡用符號(hào)T0表示。
首先，參照?qǐng)D19A，對(duì)進(jìn)氣凸輪43b本身的外形進(jìn)行說明，在該進(jìn)氣凸輪43b的周面上形成有曲率半徑在規(guī)定角度范圍內(nèi)為一定的基圓面(基圓區(qū)間)θ1；與該θ1連接且曲率半徑逐漸增大的凸輪面(提升區(qū)間)θ2。
圖19A中實(shí)線所示的是進(jìn)氣氣門30處于升程峰值附近的圖18B的狀態(tài)，此時(shí)，銷43j被連接鏈節(jié)43h抬起至最上方，進(jìn)氣凸輪43b成為凸輪面θ2的凸輪尖頂端側(cè)與挺桿36抵接的狀態(tài)。另一方面，用假想線表示的是氣門升程H為0的狀態(tài)(圖18A)，此時(shí)，進(jìn)氣凸輪43b的基圓面θ1與挺桿36接觸，進(jìn)氣氣門30成為關(guān)閉的狀態(tài)。
當(dāng)凸輪軸41a(偏心凸輪43d)按圖的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則偏置鏈節(jié)43e的一端側(cè)(圖的下端側(cè))隨之如圖的箭頭所示繞凸輪軸41a的軸心X公轉(zhuǎn)，而該偏置鏈節(jié)43e的另一端部的位移受到與該處連接的鏈節(jié)臂43i的限制。即，鏈節(jié)臂43i以位于偏心軸43k下方的銷43n為中心在圖的實(shí)線位置和假想線位置之間擺動(dòng)，偏置鏈節(jié)43e的另一端側(cè)(連接銷43g)隨之每當(dāng)偏心凸輪43d旋轉(zhuǎn)一周就以銷43n為中心作往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)(該連接銷43g的運(yùn)動(dòng)軌跡用T1表示)。
隨著上述連接銷43g的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)T1，通過該同一連接銷43g一端部與偏置鏈節(jié)43e連接的連接鏈節(jié)43h的另一端部(銷43j)在圖中用T2表示的軌跡上進(jìn)行往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)，通過該銷43j與連接鏈節(jié)43h連接的進(jìn)氣凸輪43b在圖的實(shí)線位置和假想線位置之間擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。即，當(dāng)上述連接銷43g朝上方移動(dòng)時(shí)，銷43j被連接鏈節(jié)43h抬至上方，進(jìn)氣凸輪43b的凸輪尖下壓挺桿36，由此一邊壓縮氣門彈簧30d(參照?qǐng)D18B)一邊提升進(jìn)氣氣門30。
另一方面，當(dāng)連接銷43g朝下方移動(dòng)時(shí)，銷43j被連接鏈節(jié)43h朝下方壓下，進(jìn)氣凸輪43b的凸輪尖上升，故挺桿36在上述壓縮狀態(tài)的氣門彈簧30d的排斥力作用下被上推，追隨上述凸輪尖上升地朝上方移動(dòng)，進(jìn)氣氣門30被抬起，進(jìn)氣口28關(guān)閉。
即，大升程控制狀態(tài)下，進(jìn)氣凸輪43b較大地?cái)[動(dòng)，以利用其周面的基圓面θ1及凸輪面θ2的大致整體推壓挺桿36，這樣，氣門升程對(duì)應(yīng)大的擺動(dòng)角而增大。
另外，從上述大升程控制狀態(tài)將控制臂43m繞偏心軸43k的軸心朝上方轉(zhuǎn)動(dòng)至大致水平，如圖18D和圖19B所示，當(dāng)使鏈節(jié)臂43i的轉(zhuǎn)動(dòng)軸即銷43n與大升程控制狀態(tài)相比位于凸輪軸41a的旋轉(zhuǎn)方向的跟前側(cè)，則成為小升程控制狀態(tài)。在該圖19B中也與圖19A相同，將進(jìn)氣氣門30處于升程峰值附近的狀態(tài)用實(shí)線表示，升程H為0的狀態(tài)用假想線表示。
在圖19B中，當(dāng)凸輪軸41a(偏心凸輪43d)旋轉(zhuǎn)時(shí)，與上述大升程控制狀態(tài)相同，偏置鏈節(jié)43e的連接銷43g的位移受到鏈節(jié)臂43i的限制，以位于偏心軸43k的側(cè)方的銷43n為中心，進(jìn)行往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)T3(鏈節(jié)臂43i在圖的實(shí)線位置和假想線位置之間往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng))。隨著該連接銷43g的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)T3，連接鏈節(jié)43h的銷43j進(jìn)行往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)T4，通過該銷43j與連接鏈節(jié)43h連接的進(jìn)氣凸輪43b在圖的實(shí)線位置和假想線位置之間擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)進(jìn)氣氣門30進(jìn)行開閉。
即，小升程控制狀態(tài)下，與上述大升程控制狀態(tài)相比，進(jìn)氣凸輪43b的擺動(dòng)角減小，該進(jìn)氣凸輪43b僅利用其周面的基圓面θ1及與其連續(xù)的凸輪面θ2的一部分推壓挺桿36，這樣，氣門升程減小。
對(duì)排氣氣門31也設(shè)置上述氣門機(jī)構(gòu)40，通過使該排氣氣門31的關(guān)閉時(shí)間提前于排氣上止點(diǎn)，可使缸內(nèi)的已燃?xì)怏w殘留在進(jìn)氣行程中，作為內(nèi)部EGR。
接著參照?qǐng)D13及圖14，進(jìn)氣總管132的分支進(jìn)氣管133與發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的進(jìn)氣口28連接。分支進(jìn)氣管133設(shè)置在每個(gè)氣缸24上，分別以形成等長的進(jìn)氣路徑的狀態(tài)與進(jìn)氣總管132連接。在圖示的實(shí)施形態(tài)中，上述分支進(jìn)氣管133的下游端與以兩個(gè)一組構(gòu)成的各氣缸24的進(jìn)氣口28對(duì)應(yīng)地形成為雙叉狀。在分支進(jìn)氣管133的上游側(cè)合流部分設(shè)有開閉閥134。開閉閥134具體為三通電磁閥，通過致動(dòng)器135可單獨(dú)地對(duì)分支進(jìn)氣管133的集合部分進(jìn)行所需量的開閉。另一方面，分支成雙叉狀的分支進(jìn)氣管133的一方的分支部分設(shè)有如圖14所示的周知的旋流生成用開閉閥133a。該旋流生成用開閉閥133a由致動(dòng)器133b驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開閉動(dòng)作，故在利用該旋流生成用開閉閥133a對(duì)該分支進(jìn)氣管133的一方的分支部分關(guān)閉時(shí)，通過流過另一方的分支部分的進(jìn)氣在燃燒室27內(nèi)生成旋流，隨著該旋流生成用開閉閥133a打開，旋流減弱。
在進(jìn)氣總管132的上游側(cè)連接有用于將新鮮空氣導(dǎo)入進(jìn)氣總管132內(nèi)的進(jìn)氣通路136。在該進(jìn)氣通路136上設(shè)有節(jié)氣門閥137。
在排氣口29連接有在各氣缸24上兩個(gè)一組形成的雙叉狀的分支排氣管151。各分支排氣管151的下游端與排氣總管152連接。該排氣總管152與將已燃?xì)怏w排出的排氣通路153連接。
接著，在上述進(jìn)氣總管132、排氣總管152之間設(shè)置有將排出的已燃?xì)怏w回流至進(jìn)氣總管132的外部EGR系統(tǒng)160。
外部EGR系統(tǒng)160與形成于進(jìn)氣總管132和排氣總管152之間的回流通路161連接，是具有EGR冷卻器162、EGR閥163、以及驅(qū)動(dòng)EGR閥163的致動(dòng)器164的公知的閥系統(tǒng)。
參照?qǐng)D13，為了檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行狀態(tài)，在進(jìn)氣通路136設(shè)有空氣流量傳感器SW1，在開閉閥134的下游設(shè)有用于預(yù)測(cè)缸內(nèi)溫度的進(jìn)氣溫度傳感器SW2(參照?qǐng)D14)。另外，在氣缸體22上設(shè)有用于檢測(cè)曲柄軸21的轉(zhuǎn)速的曲柄角傳感器SW3及檢測(cè)冷卻水溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器SW4(參照?qǐng)D14)。此外，在排氣通路153上設(shè)有用于控制空燃比的氧氣濃度傳感器SW5。
在作為控制手段的控制單元100上連接有作為輸入要素的空氣流量傳感器SW1、進(jìn)氣溫度傳感器SW2、曲柄角傳感器SW3、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器SW4、氧氣濃度傳感器SW5以及用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的油門開度傳感器SW6。這些傳感器SW1～SW6都是本實(shí)施形態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段的具體例子。另一方面，在控制單元100上連接有作為控制要素的氣門機(jī)構(gòu)40、旋流生成用開閉閥133a的致動(dòng)器133b、開閉閥134的致動(dòng)器135、節(jié)氣門閥137的致動(dòng)器、外部EGR系統(tǒng)160的致動(dòng)器164。
參照?qǐng)D13，控制單元100具有CPU101、存儲(chǔ)器102、接口103及將這些單元101～103連接的總線104，通過存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器102中的程序及數(shù)據(jù)功能性地構(gòu)成判斷運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)判斷手段。
在存儲(chǔ)器102中儲(chǔ)存了在后面詳細(xì)敘述的各種控制圖，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20根據(jù)這些儲(chǔ)存圖對(duì)應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)最佳地運(yùn)行。
參照?qǐng)D20，在圖示的實(shí)施形態(tài)中，可大致分為以下兩個(gè)運(yùn)行區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域(低速中高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域)A；在壓縮上止點(diǎn)之前進(jìn)行點(diǎn)火的通常點(diǎn)火運(yùn)行區(qū)域B。在將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N分割為低速區(qū)域、中速區(qū)域、高速區(qū)域這三個(gè)階段時(shí)，點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A位于低速區(qū)域內(nèi)，設(shè)定在從規(guī)定的中點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A1至節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的范圍內(nèi)。如后所述，本實(shí)施形態(tài)中，該點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A中，利用進(jìn)氣氣門30的關(guān)氣門時(shí)間，使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比εr維持在13以上地進(jìn)行運(yùn)行。
另一方面，通常點(diǎn)火運(yùn)行區(qū)域B如虛線所示具有低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1，該低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1包含怠速運(yùn)行區(qū)域B2。
參照?qǐng)D21，本實(shí)施形態(tài)中，如上所述，采用了具有VVE43的氣門機(jī)構(gòu)40。通過使用該氣門機(jī)構(gòu)40，進(jìn)氣氣門30的開氣門時(shí)間和氣門升程可無級(jí)控制。
在本實(shí)施形態(tài)中，從圖21可見，在點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A中，將進(jìn)氣氣門30的關(guān)氣門時(shí)間延遲到進(jìn)氣下止點(diǎn)稍后(最大30℃A)，由此，在將有效壓縮比εr維持在13以上的同時(shí)，如圖20、圖22所示，通過將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后，就能可靠地防止點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A的爆燃。
另一方面，在剩余的運(yùn)行區(qū)域B中，原則上提前關(guān)閉進(jìn)氣氣門30，并將有效壓縮比εr降低至小于13(例如8左右)。由此，可降低泵送損失。在此，將有效壓縮比設(shè)為εr，則εr＝1+Vs/Vc{1/2(1-cosθ)+1/8R(1-cos2θ)}＝1+(ε-1){1/2(1-cosθ)+1/8R(1-cos2θ)} (2)公式(2)中ε幾何壓縮比Vs行程容積(m3)Vc間隙容積(m3)θ氣門升程為1mm時(shí)進(jìn)氣氣門30的關(guān)氣門時(shí)間的曲柄角度R連桿比(連桿長/曲柄半徑)通過使用公式(2)，根據(jù)氣門升程為1mm時(shí)進(jìn)氣氣門30的開氣門角度，預(yù)先將有效壓縮比εr和開氣門角度的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)化而作為控制圖，從而能精細(xì)地控制有效壓縮比εr。
圖22是表示圖13的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的一例點(diǎn)火時(shí)間的曲線圖。
參照?qǐng)D22，例如，在幾何壓縮比為11時(shí)，通常運(yùn)行時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間如IGa所示，比壓縮上止點(diǎn)提前相當(dāng)量AIg(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為1500rpm，曲柄角度CA＝6°～8°)。與此相對(duì)，幾何壓縮比為14時(shí)，若是與壓縮比11時(shí)相同的爆燃特性，則如IGv所示，在壓縮上止點(diǎn)稍前點(diǎn)火，但本實(shí)施形態(tài)中，如IGb所示，以比壓縮上止點(diǎn)延遲的點(diǎn)火時(shí)間進(jìn)行火花點(diǎn)火。由此，本實(shí)施形態(tài)中，在延遲運(yùn)行區(qū)域(低速區(qū)域中包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的低速中高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域)A，可在繼續(xù)高壓縮比(εr≤14)的情況下依然維持轉(zhuǎn)矩不下降的狀態(tài)(參照?qǐng)D11、圖22)。
將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后時(shí)，其延遲量RIg考慮到缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力等決定爆燃的要因以實(shí)驗(yàn)方式集成，并利用控制圖確定，本實(shí)施形態(tài)中，例如，將距壓縮上止點(diǎn)的延遲量RIg設(shè)為活塞26經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍(曲柄角度CA＝壓縮上止點(diǎn)后35°附近)。通過將點(diǎn)火時(shí)間IGb延遲到壓縮上止點(diǎn)后，可抑制爆燃，在高壓縮比下進(jìn)行運(yùn)行，但由于將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后，會(huì)對(duì)燃燒期間這一點(diǎn)不利。為此，本實(shí)施形態(tài)中，為了在可抑制爆燃的范圍內(nèi)，且使早期進(jìn)入膨脹行程的燃料燃燒，將延遲量RIg設(shè)為活塞26經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍。
本實(shí)施形態(tài)中，在運(yùn)行區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)，以圖23A的燃料噴射時(shí)間執(zhí)行分割噴射，在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B時(shí)，以圖23B的燃料噴射時(shí)間執(zhí)行分割噴射。
參照?qǐng)D23A及圖23B，若將燃料噴射時(shí)間F1、F2分割為2次以上，則能進(jìn)一步促進(jìn)燃料的氣化霧化，而且通過后半段的燃料噴射時(shí)間F2，能對(duì)缸內(nèi)附加紊流，有助于急速燃燒。
為此，本實(shí)施形態(tài)中，對(duì)應(yīng)各種運(yùn)行狀態(tài)將燃料噴射時(shí)間F1、F2進(jìn)行數(shù)據(jù)化，作為控制圖使用。
在此，圖23A所示的例子中，例如在進(jìn)氣行程的中期(例如燃料噴射結(jié)束為壓縮上止點(diǎn)之前，為275°)執(zhí)行前半段的燃料噴射時(shí)間F1，將后半段的燃料噴射時(shí)間F2設(shè)定在壓縮行程的前半段(例如燃料噴射結(jié)束為壓縮上止點(diǎn)之前，為150°)，將各時(shí)間F1、F2的燃料噴射比例設(shè)定在4/5∶1/5。該形態(tài)中，在進(jìn)氣行程噴射出的燃料的氣化霧化得到促進(jìn)，能在燃燒室27內(nèi)形成弱分層的混合氣，可縮短燃燒時(shí)間、提高輸出功率和節(jié)省燃料費(fèi)。
另一方面，在圖23B所示的例子中，例如在壓縮行程的前半段執(zhí)行前半段的燃料噴射時(shí)間F1，將后半段的燃料噴射時(shí)間F2設(shè)定在壓縮行程的中途或后半段，將各時(shí)間F1、F2的燃料噴射比例設(shè)定在4/5∶1/5。該形態(tài)中，通過后半段的燃料噴射，能在缸內(nèi)產(chǎn)生大的紊流，即使在延遲點(diǎn)火時(shí)間的情況下也可縮短燃燒時(shí)間、提高輸出功率和節(jié)省燃料費(fèi)。而且，本實(shí)施形態(tài)中，在活塞26的頂面中央部分形成有凹部264，因而可捕集在后半段的燃料噴射時(shí)間F2噴射出的燃料，可在點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A形成分層的混合氣。在圖23B的情況，通過調(diào)節(jié)燃料噴射時(shí)間F1、F2內(nèi)的燃料噴射量，在點(diǎn)火時(shí)間也可構(gòu)成弱分層。
接著，參照?qǐng)D24，以上的構(gòu)成中，根據(jù)來自相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的輸入要素(SW1～SW8)的輸入(步驟S10)，作為控制手段的控制單元100判斷發(fā)動(dòng)機(jī)本體20是否處于運(yùn)行中(步驟S11)。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體20為停止中時(shí)，控制單元100進(jìn)一步判斷是否有預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的啟動(dòng)要求(例如油門被踩動(dòng)時(shí)等)(步驟S12)，當(dāng)沒有檢測(cè)到啟動(dòng)要求時(shí)，返回步驟S10待機(jī)，若有啟動(dòng)要求時(shí)，進(jìn)入下面的步驟S13。
發(fā)動(dòng)機(jī)本體20在運(yùn)行中時(shí)或有啟動(dòng)要求時(shí)，控制單元100進(jìn)一步判斷是否有從低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B急加速要求(步驟S13)。當(dāng)有從低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B急加速要求時(shí)，最好將有效壓縮比設(shè)定得高一些，故利用預(yù)先由實(shí)驗(yàn)等確定的控制圖M1，一下子將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的最大允許值(曲柄角度CA＝35°)(步驟S14)。
另一方面，在步驟S13中，當(dāng)沒有急加速要求時(shí)，控制單元100進(jìn)一步判斷發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行區(qū)域是否在點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A內(nèi)進(jìn)行運(yùn)行(步驟S15)。假如判斷為發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行區(qū)域處于點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)，控制單元100如圖21所示，將進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間延遲到進(jìn)氣下止點(diǎn)以后，將有效壓縮比εr維持在13以上(步驟S16)。接著，控制單元100通過基于圖22的控制圖M2將火花塞34的延遲量RIg設(shè)定為壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定曲柄角度(本實(shí)施形態(tài)中，活塞26經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍)，故在抑制爆燃的同時(shí)，提早開始燃燒，能得到大的轉(zhuǎn)矩(步驟S17)。
在步驟S14或步驟S17后，控制單元100判斷是否通過外部EGR系統(tǒng)160可將外部EGR導(dǎo)入的運(yùn)行狀態(tài)(步驟S18)。該判斷通過檢測(cè)/推測(cè)缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力，以公知的方法來實(shí)行，本實(shí)施形態(tài)中，尤其是包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)，設(shè)定為將外部EGR導(dǎo)入。
假如是可將外部EGR導(dǎo)入的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，控制單元100根據(jù)控制圖M3來設(shè)定EGR量、空燃比、燃料噴射時(shí)間(步驟S19)，然后，使外部EGR系統(tǒng)160動(dòng)作(步驟S20)，使發(fā)動(dòng)機(jī)本體20運(yùn)行(步驟S21)。由此，通過向缸內(nèi)導(dǎo)入已燃?xì)怏w，使發(fā)動(dòng)機(jī)本體20以低的燃燒溫度運(yùn)行，從而能盡可能減小熱損失。在執(zhí)行了步驟S21后，返回步驟S10，重復(fù)上述控制。
另外，在步驟S18中，當(dāng)判斷為外部EGR不能導(dǎo)入時(shí)，控制單元100停止外部EGR系統(tǒng)160(步驟S22)，根據(jù)控制圖M4設(shè)定空燃比(步驟S23)，然后進(jìn)入步驟S21。
接著，參照?qǐng)D25對(duì)在步驟S15中發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行區(qū)域不在點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)的控制進(jìn)行說明。
如圖25所示，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行區(qū)域不在點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)，本實(shí)施形態(tài)中，控制單元100根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器SW4和進(jìn)氣溫度傳感器SW2的檢測(cè)值來推測(cè)缸內(nèi)溫度T，判斷該缸內(nèi)溫度T是否滿足預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值TST(步驟S24)。假如缸內(nèi)溫度T沒有滿足基準(zhǔn)值TST時(shí)，控制單元100根據(jù)控制圖M5設(shè)定進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間，提高有效壓縮比εr(步驟S25)。即，冷機(jī)時(shí)，噴霧的氣化霧化不充分，剩余廢氣的著火延遲也增大，若有效壓縮比εr保持低的狀態(tài)，則發(fā)熱率也保持低的狀態(tài)。為此，本實(shí)施形態(tài)中，有效利用設(shè)定得較高的幾何壓縮比，只要是規(guī)定的冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，就能提高有效壓縮比εr、實(shí)現(xiàn)燃燒的穩(wěn)定化、提高輸出功率和降低燃料費(fèi)。
控制單元100進(jìn)一步判斷所設(shè)定的有效壓縮比εr是否在13以上(步驟S26)，假如有效壓縮比εr是在13以上時(shí)，進(jìn)入步驟S14，實(shí)施與點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A相同的運(yùn)行。由此，能可靠地防止維持高壓縮比時(shí)的爆燃。在步驟S24中，若缸內(nèi)溫度T在基準(zhǔn)值以上，則控制單元100根據(jù)控制圖M6來設(shè)定進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間，降低有效壓縮比εr(步驟S27)。此后，或在步驟S26中，當(dāng)判斷為有效壓縮比εr設(shè)定為小于13時(shí)，控制單元100根據(jù)控制圖M7來設(shè)定點(diǎn)火時(shí)間(步驟S28)。此后，判斷內(nèi)部EGR是否可能(步驟S29)，若可能，則控制單元100根據(jù)控制圖M8設(shè)定排氣氣門的開閉時(shí)間、空燃比、燃料噴射時(shí)間(步驟S30)。若是無法執(zhí)行內(nèi)部EGR的運(yùn)行區(qū)域，則進(jìn)入步驟S18，判斷外部EGR是否可能。另外，在上述步驟S19、S23、S30中，各控制圖M3、M4、M8按以下要求設(shè)定在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1中，進(jìn)行燃料噴射，在降低有效壓縮比的基礎(chǔ)上成為理論空燃比。本實(shí)施形態(tài)中，通過高壓縮比條件下的有效壓縮比的降低，可確保高膨脹比，即使在理論空燃比的情況下運(yùn)行也可充分降低燃料費(fèi)，在排氣通路153上能配置與NOx催化劑相比廉價(jià)且凈化率高的三元催化劑，因而即使在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中也可提高排氣性能和節(jié)省燃料費(fèi)。
如上所述，本實(shí)施形態(tài)中，若是通常的話，為了防止爆燃被認(rèn)為需要大幅度延遲點(diǎn)火時(shí)間的運(yùn)行區(qū)域(從低速點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A1至包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的中高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域)A中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20能在維持有效壓縮比εr為13以上的高轉(zhuǎn)矩和低燃料費(fèi)的狀態(tài)下運(yùn)行。即，如圖22所示，為了避免爆燃而延遲的點(diǎn)火時(shí)間IGb被設(shè)定為壓縮上止點(diǎn)后時(shí)，如圖4所示，活塞26經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后，缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)變得顯著，經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后的燃燒過程成為多級(jí)著火，其結(jié)果可在降低時(shí)間損失的同時(shí)維持發(fā)熱率，能得到足夠的轉(zhuǎn)矩。另外，通過維持這樣的發(fā)熱率，可盡可能地降低該延遲量RIg。另一方面，在產(chǎn)生冷焰反應(yīng)的區(qū)域，如圖5所示，莫爾數(shù)上升，其結(jié)果缸內(nèi)溫度未達(dá)到壓力上升那樣程度。此外，如圖6所示，在燃燒室27的中央側(cè)產(chǎn)生冷焰反應(yīng)，在剩余廢氣中發(fā)生冷焰反應(yīng)較少，因而也能抑制缸內(nèi)溫度上升。通過這樣的溫度條件，產(chǎn)生甲醛，且促進(jìn)該甲醛對(duì)成為爆燃原因的OH基的消費(fèi)，從這方面也可抑制自燃。至少在低速區(qū)域，在包含節(jié)氣門全開區(qū)域在內(nèi)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中的高壓縮比化情況下，通過構(gòu)成這樣的爆燃抑制機(jī)理，可將熱效率的改善量補(bǔ)充點(diǎn)火時(shí)間延遲引起的輸出功率下降，不用犧牲輸出功率就可盡可能地得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)程度的燃料費(fèi)。另外，有效壓縮比εr可由進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)控制決定，因而不需要使用改變幾何壓縮比用的復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。
另外，本實(shí)施形態(tài)中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行區(qū)域?yàn)榈退俚拓?fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1時(shí)，將利用以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比εr下降到小于13，從壓縮上止點(diǎn)提前規(guī)定量的時(shí)間使火花塞34點(diǎn)火，且點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間距壓縮上止點(diǎn)的延遲量RIg設(shè)定為小于低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間距壓縮上止點(diǎn)的提前量。因此，本實(shí)施形態(tài)中，在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1時(shí)，將有效壓縮比εr下降到小于13，能預(yù)先可靠地預(yù)防爆燃，且通過將點(diǎn)火時(shí)間與一般的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣從壓縮上止點(diǎn)提前，可實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行區(qū)域相對(duì)應(yīng)的較高的壓縮比情況下的良好的燃燒。因?yàn)槔眠M(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間來改變有效壓縮比εr，因而可降低泵送損失，節(jié)省燃料費(fèi)。即，當(dāng)通常的壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行進(jìn)氣氣門30的延遲關(guān)閉(或提前關(guān)閉)時(shí)，隨著有效壓縮比εr相當(dāng)程度的降低，燃燒變得不穩(wěn)定。因此，在可延遲關(guān)閉(或提前關(guān)閉)的范圍內(nèi)限制較多、或存在EGR無法充分導(dǎo)入等的限制。然而，本實(shí)施形態(tài)中，因?yàn)閹缀螇嚎s比設(shè)定得相當(dāng)高，因此即使有效壓縮比εr下降，但實(shí)際壓縮比依然較高，燃燒穩(wěn)定性提高。因此，能擴(kuò)大進(jìn)氣氣門30的延遲關(guān)閉(或提前關(guān)閉)的范圍，而且若氣門時(shí)間相同，則與低壓縮比的情況相比，可提高EGR率。另一方面，低速區(qū)域的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A中延遲點(diǎn)火時(shí)間時(shí)的延遲量RIg設(shè)定為較小的值。其結(jié)果，在低速區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域(本實(shí)施形態(tài)中為點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A)中，在進(jìn)入膨脹行程后，在避免爆燃的同時(shí)能維持較大的轉(zhuǎn)矩。
另外，本實(shí)施形態(tài)中的上述低速區(qū)域是將發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域分成低速、中速、高速這三個(gè)階段時(shí)的低速區(qū)域，該低速轉(zhuǎn)速區(qū)域中的上述規(guī)定期間(延遲量RIg)是活塞26經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍。因此，本實(shí)施形態(tài)中，將運(yùn)行區(qū)域以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域分割成三個(gè)階段，在其低速轉(zhuǎn)速區(qū)域，調(diào)節(jié)進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間以使節(jié)氣門全開區(qū)域的有效壓縮比εr維持在13以上，同時(shí)將點(diǎn)火時(shí)間延遲到該活塞26經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍內(nèi)，就可實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行區(qū)域相對(duì)應(yīng)的較高的壓縮比情況下的良好的燃燒。
另外，本實(shí)施形態(tài)中，在中速旋轉(zhuǎn)區(qū)域以上的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，將點(diǎn)火時(shí)間切換到壓縮上止點(diǎn)之前。本實(shí)施形態(tài)中，中速以后的高速側(cè)，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)適當(dāng)?shù)貙⒂行嚎s比εr下降到小于13。
本實(shí)施形態(tài)中，具有燃燒期間縮短手段，用于在將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的情況下縮短混合氣的燃燒期間。因此，本實(shí)施形態(tài)中，通過燃燒期間縮短手段能盡可能地提高膨脹行程的發(fā)熱率，抑制時(shí)間損失，能得到大的轉(zhuǎn)矩。
圖26是與圖13的實(shí)施形態(tài)相關(guān)的PV圖。
如圖26所示，當(dāng)將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)以后，則如假想線所示，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間損失，但通過設(shè)置燃燒期間縮短手段(圖示例中為實(shí)施了分割噴射的情況)，能使點(diǎn)火后的壓力上升提早，降低時(shí)間損失。
作為燃燒期間縮短手段的具體例子，可較好地采用使缸內(nèi)生成紊流的紊流生成手段(圖13及圖14的旋流生成用開閉閥133a，圖16的逆擠壓)和圖23所說明的燃料的分割噴射。因此，本實(shí)施形態(tài)中，通過比較簡單的機(jī)構(gòu)或控制，能盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率、抑制時(shí)間損失、得到大的轉(zhuǎn)矩。另外，上述燃燒期間縮短手段也可在各氣缸上設(shè)有多個(gè)火花塞34，燃燒期間縮短手段也可是使多個(gè)火花塞34動(dòng)作的多點(diǎn)點(diǎn)火手段。在該形態(tài)中，通過多點(diǎn)點(diǎn)火可促進(jìn)燃燒速度，能盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率、抑制時(shí)間損失、得到大的轉(zhuǎn)矩。
尤其是作為促進(jìn)燃燒速度的手段，在將圖23A所示的分割噴射在點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A執(zhí)行時(shí)，能促進(jìn)進(jìn)氣行程中噴射出的燃料的氣化霧化，能在燃燒室內(nèi)形成弱分層的混合氣，因此缸內(nèi)成為弱分層的混合狀態(tài)，同時(shí)提高耐爆燃性。
本實(shí)施形態(tài)中，設(shè)有可通過控制單元100調(diào)節(jié)外部EGR量的外部EGR系統(tǒng)160，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的運(yùn)行區(qū)域至少是低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT在內(nèi)的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A時(shí)，控制單元100將外部EGR導(dǎo)入。因此，本實(shí)施形態(tài)中通過外部EGR能降低燃燒溫度，因而能避免爆燃，且降低冷卻損失，提高熱效率。其結(jié)果，能得到大的轉(zhuǎn)矩并節(jié)省燃料費(fèi)。即，壓縮比高時(shí)，在壓縮行程中，缸內(nèi)溫度急劇上升，從而容易產(chǎn)生爆燃。而且，急劇產(chǎn)生的熱量被氣缸24的壁面等吸收而下降，故熱損失增大。相比之下，將由排氣氣門31排出的已燃?xì)怏w導(dǎo)入時(shí)，即使有效壓縮比εr處于較高的狀態(tài)，燃燒溫度也較低，其結(jié)果可抑制爆燃和熱損失，維持大的轉(zhuǎn)矩并節(jié)省燃料費(fèi)。
本實(shí)施形態(tài)中，即使在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1也導(dǎo)入外部EGR。因此，本實(shí)施形態(tài)中，有效壓縮比εr下降，并能盡可能地降低熱損失，能維持低的燃料費(fèi)。
另外，本實(shí)施形態(tài)中，至少在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1中，將進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉氣門時(shí)間從進(jìn)氣下止點(diǎn)錯(cuò)過規(guī)定量以使有效壓縮比εr下降。因此，本實(shí)施形態(tài)中，在燃燒狀態(tài)比較容易不穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)域使有效壓縮比εr降低，確保高膨脹比。其結(jié)果，可防止高壓縮比引起的爆燃，同時(shí)降低泵送損失，節(jié)省燃料費(fèi)。
本實(shí)施形態(tài)中，設(shè)有可通過控制單元100將EGR導(dǎo)入缸內(nèi)的作為EGR手段的外部EGR系統(tǒng)160，至少在上述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1中控制單元100導(dǎo)入EGR。因此，本實(shí)施形態(tài)中有效壓縮比下降，同時(shí)能盡可能地降低熱損失，維持低燃料費(fèi)。即，壓縮比高時(shí)，在壓縮行程中，缸內(nèi)溫度急劇上升。在此，急劇產(chǎn)生的熱量被氣缸的壁面等吸收而下降，故熱損失增大。相比之下，將由排氣氣門排出的已燃?xì)怏w導(dǎo)入時(shí)，有效壓縮比下降，同時(shí)燃燒溫度也降低，其結(jié)果可抑制熱損失，維持低燃料費(fèi)。
本實(shí)施形態(tài)中，在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1中，將空燃比設(shè)定為理論空燃比。如上所述，通過高壓縮比條件下的有效壓縮比的降低，可確保高膨脹比，即使在理論空燃比的情況下運(yùn)行也可充分降低燃料費(fèi)，在排氣通路153上能配置與NOx催化劑相比廉價(jià)且凈化率高的三元催化劑，因而即使在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中也可發(fā)揮足夠的排氣性能。
本實(shí)施形態(tài)中，低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1包含怠速運(yùn)行區(qū)域B2。因此，本實(shí)施形態(tài)中，即使在使用頻度高的怠速運(yùn)行區(qū)域B2中也可維持低燃料費(fèi)。
本實(shí)施形態(tài)中，控制單元100也起到推測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的缸內(nèi)溫度的缸內(nèi)溫度推測(cè)手段的作用。該控制單元100在冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將進(jìn)氣氣門30的關(guān)氣門時(shí)間設(shè)定在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近，調(diào)節(jié)控制進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間以提高有效壓縮比εr并確保足夠的進(jìn)氣。因此，本實(shí)施形態(tài)中，通過提高有效壓縮比εr并確保足夠的進(jìn)氣，可提高體積效率，因而能得到良好的著火/燃燒性能和提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所需的足夠的轉(zhuǎn)矩。
另外，本實(shí)施形態(tài)中，具有作為檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)加速的發(fā)動(dòng)機(jī)加速檢測(cè)手段的油門開度傳感器SW6，當(dāng)從低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域急加速時(shí)，控制單元100一下子將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間(延遲量RIg)的最大允許值。因此，本實(shí)施形態(tài)中，避免急加速時(shí)吸入的高溫新鮮空氣引起的爆燃。
本實(shí)施形態(tài)中，燃料噴射閥32是將燃料朝火花塞34的電極附近噴射的直噴型，在發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的活塞26頂面設(shè)有隆起部33和形成在該頂面中央部分的凹部264，其中隆起部33形成在該頂面周邊部，并從壓縮上止點(diǎn)進(jìn)入膨脹行程時(shí)生成逆擠壓流Ra、Rb，而控制單元100用于控制燃料噴射閥32以在壓縮行程噴射燃料。因此，本實(shí)施形態(tài)中，在至壓縮行程的過程中，通過在活塞26的頂面中央部分形成的凹部264，能確保噴射出的燃料的飛行空間，從而在膨脹行程初期，在活塞26的周邊部分形成逆擠壓流Ra、Rb。其結(jié)果，可縮短燃燒期間、防止爆燃、盡可能地提高膨脹行程中的發(fā)熱率、抑制時(shí)間損失、有助于提高轉(zhuǎn)矩和節(jié)省燃料費(fèi)。
這樣，本實(shí)施形態(tài)中，對(duì)以往要采用高價(jià)的機(jī)構(gòu)或利用進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間使有效壓縮比εr下降從而犧牲輸出功率來應(yīng)對(duì)的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A，謀求在維持高壓縮比的情況下避免爆燃，故能起到同時(shí)具有低廉性和高輸出功率性、可盡可能地得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)程度的燃料費(fèi)這樣顯著的效果。
上述實(shí)施形態(tài)只不過是本發(fā)明的較佳的具體例而已，本發(fā)明并不限定于上述的實(shí)施形態(tài)。
例如，在上述實(shí)施形態(tài)中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20最好使用辛烷值為96RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行。此時(shí)，在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A中，使有效壓縮比εr為13以上，并只將點(diǎn)火時(shí)間IGb延遲經(jīng)過壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定延遲量RIg，從而能最有效地利用缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)，得到大的轉(zhuǎn)矩。如圖3及圖11所述，當(dāng)噴射96RON以上的燃料時(shí)，缸內(nèi)壓縮比為13以上，達(dá)到引起冷焰反應(yīng)的活性化能量以上，通過點(diǎn)火延遲能提高冷焰反應(yīng)引起的發(fā)熱量，提高轉(zhuǎn)矩。
上述實(shí)施形態(tài)中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的幾何壓縮比ε的上限最好為16。此時(shí)，即使在進(jìn)氣溫度高的低速全負(fù)荷運(yùn)行的情況或?qū)ε瘷C(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再啟動(dòng)的情況等容易產(chǎn)生自點(diǎn)火的情況下維持高的有效壓縮比εr，也可防止過早點(diǎn)火等的發(fā)生。
作為本發(fā)明的另一形態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20利用91RON以上的燃料運(yùn)行時(shí)，幾何壓縮比也可設(shè)定為13.5以上，在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A運(yùn)行時(shí)，也可調(diào)節(jié)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間以將以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比εr維持在12.5以上并將點(diǎn)火時(shí)間IGb延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間內(nèi)。在這樣的形態(tài)中，即使使用較小辛烷值的燃料也可在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A中有效地利用缸內(nèi)的冷焰反應(yīng)，得到大的轉(zhuǎn)矩。
另外，使用辛烷值為91RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的幾何壓縮比的上限最好為15.5。此時(shí)，即使在進(jìn)氣溫度高的情況或?qū)ε瘷C(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再啟動(dòng)的情況等容易產(chǎn)生自點(diǎn)火的情況下維持高的有效壓縮比εr，也可防止過早點(diǎn)火等的發(fā)生。
作為本發(fā)明的另一形態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20利用100RON以上的燃料運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的幾何壓縮比的上限最好為16.5。此時(shí)，即使在進(jìn)氣溫度高的情況或?qū)ε瘷C(jī)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再啟動(dòng)的情況等容易產(chǎn)生自點(diǎn)火的情況下維持高的有效壓縮比εr，也可防止過早點(diǎn)火等的發(fā)生。
另外，作為降低有效壓縮比εr的方法，上述實(shí)施形態(tài)中，使用了可無級(jí)地改變進(jìn)氣氣門30的開閉時(shí)間的氣門機(jī)構(gòu)40，但并不局限于此，例如，也可采用通過將兩個(gè)進(jìn)氣凸輪有選擇地傳遞到進(jìn)氣氣門30，可對(duì)進(jìn)氣氣門30的開閉時(shí)間進(jìn)行兩級(jí)切換的所謂帶空轉(zhuǎn)功能的氣門機(jī)構(gòu)。
圖27是表示使用了帶空轉(zhuǎn)功能的氣門機(jī)構(gòu)的控制例的曲線圖。
如圖27所示，使用帶空轉(zhuǎn)功能的氣門機(jī)構(gòu)時(shí)，將進(jìn)氣氣門30的關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行延遲。該實(shí)施形態(tài)中，由于將一度已經(jīng)導(dǎo)入缸內(nèi)的空氣推出，會(huì)產(chǎn)生稍許的泵送損失，但能以低價(jià)的機(jī)構(gòu)降低有效壓縮比εr，避免爆燃。
另外，作為執(zhí)行內(nèi)部EGR的手段，也可采用上述那樣的帶空轉(zhuǎn)功能的氣門機(jī)構(gòu)。
圖28是表示本發(fā)明的其他實(shí)施形態(tài)的作為進(jìn)氣加熱手段的進(jìn)氣加熱系統(tǒng)的構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。
參照?qǐng)D28，采用本發(fā)明執(zhí)行所謂的預(yù)混合壓縮自身著火燃燒(HCCIHomogeneous-Charge Compression-Ignintion combustion)時(shí)，最好設(shè)置該圖所示的作為進(jìn)氣加熱手段的加熱器140。
更詳細(xì)地說明的話，在進(jìn)氣通路136的節(jié)氣門閥137的上游側(cè)設(shè)有三通電磁閥138，在與該三通電磁閥138連接的旁通路139上設(shè)有加熱器140。而且，在加熱器140上設(shè)有溫度傳感器SW7，可檢測(cè)被加熱器140加熱后的旁通路139內(nèi)的進(jìn)氣溫度。該溫度傳感器SW7與未圖示的控制單元連接。
圖29是表示圖28的實(shí)施形態(tài)的作為進(jìn)氣加熱手段的進(jìn)氣加熱系統(tǒng)170的構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖。
參照?qǐng)D29，在進(jìn)氣通路136上分支連接有加熱通路171。在該加熱通路171的途中連接有冷卻水熱交換器172和排氣熱交換器173。
加熱通路171是用于將經(jīng)由各熱交換器172、173吸熱后的熱量回流至進(jìn)氣側(cè)的通路。在加熱通路171的下游側(cè)設(shè)有針對(duì)每個(gè)氣缸24分支的分支管174a，各分支管174a與對(duì)應(yīng)的開閉閥134的進(jìn)氣側(cè)接口連接。
冷卻水熱交換器172與發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的水冷系統(tǒng)174連接，用于使通過加熱通路171的進(jìn)氣吸收從發(fā)動(dòng)機(jī)本體20回流至散熱器(未圖示)的冷卻水所吸收的熱量。
排氣熱交換器173與發(fā)動(dòng)機(jī)本體20的排氣通路153連接，用于使通過加熱通路171的進(jìn)氣吸收已燃?xì)怏w的熱量。在加熱通路171中，排氣熱交換器173配置在冷卻水熱交換器172的下游側(cè)。
本實(shí)施形態(tài)中，這些熱交換器172、173構(gòu)成進(jìn)氣加熱系統(tǒng)170的主要部分。
在該構(gòu)成中，通過控制單元100的控制，三通電磁閥138與開閉閥134相同地可以改變開閥比例，由此，通過切換三通電磁閥138，可直接將外部新鮮的空氣導(dǎo)入進(jìn)氣總管132內(nèi)，或?qū)⒔?jīng)加熱器140加熱后的空氣導(dǎo)入進(jìn)氣總管132內(nèi)。
下面對(duì)圖30至圖33所示的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。
如圖30～圖32所示，在這些圖所示的發(fā)動(dòng)機(jī)本體20中，在氣缸蓋23內(nèi)設(shè)有在進(jìn)氣口28上開口的進(jìn)氣口噴射式的燃料噴射閥32。該進(jìn)氣口噴射式的燃料噴射閥32也受到來自控制單元100的燃料噴射脈沖，將與該脈沖寬度對(duì)應(yīng)的燃料在各氣缸24的進(jìn)氣行程中通過進(jìn)氣口28向燃燒室27進(jìn)行噴射。
如圖32A及圖32B所示，在上述活塞26的頂面上的進(jìn)氣側(cè)的周緣部的規(guī)定范圍及排氣側(cè)的周緣部的規(guī)定范圍內(nèi)設(shè)有沿氣缸蓋23的傾斜面傾斜的擠氣區(qū)構(gòu)成面26a、26b。而且在該擠氣區(qū)構(gòu)成面26a、26b的內(nèi)側(cè)設(shè)有隆起部33。在該活塞頂面的頂部31c及其兩側(cè)的斜面31a、31b之間形成有凹部264。
因此，圖30～圖32A及圖32B所示的實(shí)施形態(tài)中，壓縮行程中生成的逆擠壓流Ra、Rb得到強(qiáng)化，從而在擠氣區(qū)內(nèi)的燃燒速度充分提高，火焰的主燃燒速度增大，實(shí)現(xiàn)急速燃燒，而初期燃燒期間不縮短太多，從而主燃燒期間大幅度縮短，能預(yù)先抑制爆燃，且通過急速燃燒降低時(shí)間損失，提高熱效率。
而且，上述一對(duì)傾斜面33a、33b與燃燒室天花板部的傾斜面27a、27b平行，因此在其間的空間中進(jìn)行均勻的火焰?zhèn)鞑ィ瑢?duì)防止爆震也有效。另外，在以有效壓縮比εr為13以上運(yùn)行的運(yùn)行區(qū)域，該凹部264有助于壓縮上止點(diǎn)經(jīng)過后燃燒室27中的冷焰生成，也成為進(jìn)一步提高輸出功率的因素。
圖33是表示圖30的實(shí)施形態(tài)中成為控制圖的基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N和需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的曲線圖。
參照?qǐng)D33，圖示的曲線中的點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A與圖20的情況相同，在將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N分割為低速區(qū)域、中速區(qū)域、高速區(qū)域這三個(gè)階段時(shí)，在其低速區(qū)域內(nèi)，設(shè)定在規(guī)定的中點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A1至節(jié)氣門全開區(qū)域AWOT的范圍內(nèi)。該點(diǎn)火延遲運(yùn)行區(qū)域A中，利用進(jìn)氣氣門30的關(guān)氣門時(shí)間，使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比εr維持在13以上地進(jìn)行運(yùn)行。
另一方面，通常點(diǎn)火運(yùn)行區(qū)域B如虛線所示具有從低速區(qū)域延伸至中速區(qū)域的前半側(cè)的低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1，該低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1包含怠速運(yùn)行區(qū)域B2。此外，在本實(shí)施形態(tài)的該低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域B1中，將燃料噴射量設(shè)定為能均勻稀燃燒的量。
對(duì)圖30～圖33所示的實(shí)施形態(tài)也可應(yīng)用圖24及圖25的流程圖。也可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用圖27～圖29那樣的變形例。
以上通過實(shí)施例及參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)敘述，各種變更及修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。只要這些變更及修改不脫離本發(fā)明的以下定義的范圍，它們也包括在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，至少具有火花塞，其特征在于，包括幾何壓縮比設(shè)定在14以上的發(fā)動(dòng)機(jī)本體；分別設(shè)置在與所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的氣缸連接的進(jìn)氣口及排氣口上、對(duì)對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣口進(jìn)行開閉的進(jìn)氣氣門及排氣氣門；檢測(cè)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段；以及根據(jù)所述運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段的檢測(cè)，至少執(zhí)行所述火花塞的點(diǎn)火時(shí)間的調(diào)節(jié)控制以及利用進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)控制進(jìn)行的有效壓縮比的調(diào)節(jié)控制的控制手段，該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域至少在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段對(duì)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)以使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的所述有效壓縮比維持在13以上，并將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體使用辛烷值為96RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行。
3.如權(quán)利要求2所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的幾何壓縮比的上限為16。
4.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體使用辛烷值為100RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的幾何壓縮比的上限為16.5。
5.一種火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，至少具有火花塞，其特征在于，包括幾何壓縮比設(shè)定在13.5以上、利用辛烷值為91RON以上的燃料進(jìn)行運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)本體；分別設(shè)置在與所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的氣缸連接的進(jìn)氣口及排氣口上、對(duì)對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣口進(jìn)行開閉的進(jìn)氣氣門及排氣氣門；檢測(cè)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段；以及根據(jù)所述運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)手段的檢測(cè)，至少執(zhí)行所述火花塞的點(diǎn)火時(shí)間的調(diào)節(jié)控制以及利用進(jìn)氣氣門的關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)控制進(jìn)行的有效壓縮比的調(diào)節(jié)控制的控制手段，該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域至少在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段對(duì)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)以使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的所述有效壓縮比維持在12.5以上，并將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的幾何壓縮比的上限為15.5。
7.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，當(dāng)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域?yàn)榈退俚拓?fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將所述有效壓縮比下降到小于13，在從壓縮上止點(diǎn)提前規(guī)定量的時(shí)間使火花塞點(diǎn)火，同時(shí)，所述規(guī)定期間設(shè)定為小于所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間距壓縮上止點(diǎn)的提前量。
8.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制手段中設(shè)定的所述低速區(qū)域是將發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域分成低速、中速、高速這三個(gè)階段時(shí)的低速區(qū)域，所述規(guī)定期間是所述活塞經(jīng)過上止點(diǎn)后10％以下的行程范圍。
9.如權(quán)利要求8所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制手段在中速旋轉(zhuǎn)區(qū)域以上的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)火時(shí)間切換至壓縮上止點(diǎn)之前。
10.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，具有將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后時(shí)縮短混合氣的燃燒期間的燃燒期間縮短手段。
11.如權(quán)利要求10所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述燃燒期間縮短手段是在缸內(nèi)生成紊流的紊流生成手段。
12.如權(quán)利要求10所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在各氣缸內(nèi)設(shè)有多個(gè)火花塞，所述燃燒期間縮短手段是使多個(gè)火花塞動(dòng)作的多點(diǎn)點(diǎn)火手段。
13.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有通過所述控制手段可調(diào)節(jié)外部EGR量的外部EGR系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域至少是在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域(AWOT)的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將外部EGR導(dǎo)入。
14.如權(quán)利要求13所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制手段至少在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)將外部EGR導(dǎo)入。
15.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，至少在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域中，所述控制手段將所述進(jìn)氣氣門的關(guān)氣門時(shí)間從進(jìn)氣下止點(diǎn)錯(cuò)開規(guī)定量以降低所述壓縮比。
16.如權(quán)利要求15所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有通過控制手段的控制將EGR導(dǎo)入到缸內(nèi)的EGR手段，所述控制手段至少在所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)將EGR導(dǎo)入。
17.如權(quán)利要求15所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制手段在所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)將空燃比設(shè)定為理論空燃比。
18.如權(quán)利要求15所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)定在所述控制手段內(nèi)的所述低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域包含怠速運(yùn)行區(qū)域。
19.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，具有推測(cè)所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的缸內(nèi)溫度的缸內(nèi)溫度推測(cè)手段，在冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)，所述控制手段將進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間設(shè)定在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近，并調(diào)節(jié)控制進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間以提高有效壓縮比以及確保足夠的進(jìn)氣。
20.如權(quán)利要求1所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，具有檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速的發(fā)動(dòng)機(jī)加速檢測(cè)手段，從低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行急加速時(shí)，所述控制手段將點(diǎn)火時(shí)間一下子延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間的最大允許值。
21.如權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有可通過所述控制手段控制噴射時(shí)間的燃料噴射閥，所述燃料噴射閥是將燃料朝所述火花塞的電極附近噴射的直噴型。
22.如權(quán)利要求21所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域是低速區(qū)域的至少從規(guī)定的中負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域至包含節(jié)氣門全開區(qū)域的中高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段執(zhí)行將燃料在從進(jìn)氣行程至壓縮行程的規(guī)定期間內(nèi)進(jìn)行多次噴射的分割噴射。
23.如權(quán)利要求21所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的活塞頂面設(shè)有隆起部和凹部，所述隆起部形成在所述頂面的周邊部，在從壓縮上止點(diǎn)進(jìn)入膨脹行程時(shí)生成逆擠壓流，而所述凹部形成在所述頂面中央部分，所述控制手段對(duì)燃料噴射閥進(jìn)行控制，以在壓縮行程噴射燃料。
24.如權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有進(jìn)氣口式燃料噴射閥，其設(shè)于所述進(jìn)氣口，可通過所述控制手段來控制噴射時(shí)間，在所述低速區(qū)域的低中負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將所述有效壓縮比降低到小于13，并將點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定在壓縮上止點(diǎn)之前的規(guī)定期間內(nèi)。
25.如權(quán)利要求24所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的每個(gè)氣缸都具有活塞，該活塞具有在頂面中央部分形成的凹部。
26.如權(quán)利要求5所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，具有在將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后時(shí)縮短混合氣的燃燒期間的燃燒期間縮短手段。
27.如權(quán)利要求26所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述燃燒期間縮短手段是在缸內(nèi)生成紊流的紊流生成手段。
28.如權(quán)利要求26所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在各氣缸內(nèi)設(shè)有多個(gè)火花塞，所述燃燒期間縮短手段是使多個(gè)火花塞動(dòng)作的多點(diǎn)點(diǎn)火手段。
29.如權(quán)利要求5所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有可通過所述控制手段控制噴射時(shí)間的燃料噴射閥，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域是低速區(qū)域的至少從規(guī)定的中負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域至包含節(jié)氣門全開區(qū)域的中高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段執(zhí)行將燃料在從進(jìn)氣行程至壓縮行程的規(guī)定期間內(nèi)進(jìn)行多次噴射的分割噴射。
30.如權(quán)利要求5所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有通過所述控制手段可調(diào)節(jié)外部EGR量的外部EGR系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域是至少在低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將外部EGR導(dǎo)入。
31.如權(quán)利要求30所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制手段至少在低速低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)將外部EGR導(dǎo)入。
32.如權(quán)利要求5所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，設(shè)有進(jìn)氣口式燃料噴射閥，其設(shè)于所述進(jìn)氣口，可通過所述控制手段來控制噴射時(shí)間，在所述低速區(qū)域的低中負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，所述控制手段將所述有效壓縮比降低到小于13，并將點(diǎn)火時(shí)間設(shè)定在壓縮上止點(diǎn)之前的規(guī)定期間內(nèi)。
33.如權(quán)利要求32所述的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體的每個(gè)氣缸都具有活塞，該活塞具有在頂面中央部分形成的凹部。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種即使在低速區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域(尤其是節(jié)氣門全開區(qū)域)也可同時(shí)具有廉價(jià)性和高輸出功率性的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)本體的運(yùn)行區(qū)域至少是低速區(qū)域的包含節(jié)氣門全開區(qū)域的高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域時(shí)，控制手段對(duì)進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)以使以氣門升程1mm規(guī)定的進(jìn)氣氣門關(guān)閉時(shí)間求得的有效壓縮比維持在13以上并將點(diǎn)火時(shí)間延遲到壓縮上止點(diǎn)后的規(guī)定期間內(nèi)。
文檔編號(hào)F02D15/00GK101046177SQ20071009361
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者人見光夫, 巖田典之, 山川正尚, 西本敏朗, 養(yǎng)祖隆, 林好德 申請(qǐng)人:馬自達(dá)汽車株式會(huì)社