圖14是用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例3的內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)配置的示意圖；
[0040]圖15用于解釋由圖14所示的進(jìn)氣可變閥裝置改變的進(jìn)氣閥的閥升程特征；[0041 ]圖16A和16B用于解釋在圖15所示的閥升程特征的切換之后，缸體內(nèi)的氣體流動(dòng)的變化；
[0042]圖17A和17B用于解釋實(shí)施例3中用于通過(guò)以下方式控制點(diǎn)火時(shí)的塞附近流速的方法:即，通過(guò)使用進(jìn)氣可變閥裝置切換具有最大閥升程的時(shí)間段來(lái)控制具有ω滾動(dòng)形狀的滾流的產(chǎn)生和不產(chǎn)生；
[0043]圖18是在實(shí)施例3中執(zhí)彳丁的例程的流程圖；
[0044]圖19是用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例4的內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)配置的示意圖；
[0045]圖20用于解釋圖19所示的閥掩體的詳細(xì)配置；
[0046]圖21是進(jìn)氣端口周圍的配置的剖面圖，該視圖沿著圖20中的A-A線截?。?br>[0047]圖22Α和22Β用于解釋實(shí)施例4中用于通過(guò)以下方式控制點(diǎn)火時(shí)的塞附近流速的方法:即，通過(guò)閥掩體以及通過(guò)使用進(jìn)氣可變閥裝置改變進(jìn)氣閥的升程量來(lái)控制具有ω滾動(dòng)形狀的滾流的產(chǎn)生和不產(chǎn)生；
[0048]圖23是在實(shí)施例4中執(zhí)彳丁的例程的流程圖；
[0049]圖24是用于解釋本發(fā)明的實(shí)施例5的內(nèi)燃機(jī)中設(shè)置的閥掩體的詳細(xì)配置的示意圖；
[0050]圖25是進(jìn)氣端口周圍的配置的剖面圖，該視圖沿著圖24中的B-B線截??；
[0051]圖26Α和26Β用于解釋實(shí)施例5中用于通過(guò)以下方式控制點(diǎn)火時(shí)的塞附近流速的方法:即，通過(guò)閥掩體以及通過(guò)使用進(jìn)氣可變閥裝置改變進(jìn)氣閥的升程量來(lái)控制具有ω滾動(dòng)形狀的滾流的產(chǎn)生和不產(chǎn)生；以及
[0052]圖27是在實(shí)施例5中執(zhí)行的例程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面解釋本發(fā)明的實(shí)施例1的系統(tǒng)配置。圖1是示出實(shí)施例1的內(nèi)燃機(jī)10的系統(tǒng)配置的示意圖。該實(shí)施例的系統(tǒng)配備火花點(diǎn)火型的內(nèi)燃機(jī)10?；钊?piston)12被設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)10的每個(gè)缸體中。燃燒室14形成于缸體內(nèi)的活塞12的頂側(cè)。進(jìn)氣通道16和排氣通道18與燃燒室14連通。
[0054]在進(jìn)氣通道16的入口附近設(shè)置空氣流量計(jì)20，該空氣流量計(jì)輸出與吸入進(jìn)氣通道16的空氣的流量對(duì)應(yīng)的信號(hào)。在空氣流量計(jì)20的下游設(shè)置電子控制的節(jié)流閥22。在進(jìn)氣通道16已經(jīng)朝著每個(gè)缸體分支之后，電子控制的TCV 24被設(shè)置在該進(jìn)氣通道16中。TCV 24通過(guò)在進(jìn)氣端口 16a內(nèi)產(chǎn)生空氣流動(dòng)的偏移來(lái)產(chǎn)生滾流(垂直渦流)。這樣，TCV 24是影響缸體內(nèi)氣體流動(dòng)的致動(dòng)器。通過(guò)改變TCV 24的開(kāi)度，可以調(diào)整滾流的滾流比(滾流的角速度與引擎轉(zhuǎn)速的比率)。
[0055]打開(kāi)和關(guān)閉進(jìn)氣端口16a的進(jìn)氣閥26被設(shè)置在進(jìn)氣通道16的進(jìn)氣端口 16a中，而打開(kāi)和關(guān)閉排氣端口 18a的排氣閥28被設(shè)置在排氣通道18的排氣端口 18a中。用于將燃料直接噴射入缸體的燃料噴射閥30被設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)1的每個(gè)缸體中。用于點(diǎn)燃空氣-燃料混合物的點(diǎn)火器(圖中未示出)的火花塞32也被設(shè)置在每個(gè)缸體內(nèi)。更具體地說(shuō)，火花塞32被設(shè)置在燃燒室14的上壁面(S卩，缸體頭側(cè)的壁面)的中心部附近。進(jìn)一步地，如下面描述的圖6A和6B所示，兩個(gè)進(jìn)氣閥26在每個(gè)缸體中相鄰地設(shè)置，而兩個(gè)排氣閥28彼此相鄰地設(shè)置并且與進(jìn)氣閥26相對(duì)，其中火花塞32介于進(jìn)氣閥與排氣閥之間。
[0056]內(nèi)燃機(jī)10配備連接進(jìn)氣通道16與排氣通道18的EGR通道34。在EGR通道34的中間部中設(shè)置有EGR閥36，該閥用于調(diào)整通過(guò)EGR通道34流回到進(jìn)氣通道16的EGR氣體(外部EGR氣體)的量。通過(guò)改變EGR閥36的開(kāi)度，可以改變?cè)贓GR通道34中流動(dòng)的排氣(EGR氣體)的流量，并且調(diào)整EGR比。在排氣通道18中設(shè)置有A/F傳感器38，該傳感器用于檢測(cè)排氣的A/F。
[0057]圖1所示的系統(tǒng)還配備電子控制單元(ECU)40。除了上述空氣流量計(jì)20和A/F傳感器38之外，還有用于檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)10的工作狀態(tài)的各種傳感器(例如用于檢測(cè)引擎轉(zhuǎn)速的曲柄角傳感器42)被連接到ECU 40的輸入單元。用于控制內(nèi)燃機(jī)10的操作的各種致動(dòng)器(例如上述節(jié)流閥22、TCV 24、燃料噴射閥30、火花塞32和EGR閥36)連接到E⑶40的輸出單元。E⑶40通過(guò)根據(jù)上述傳感器和預(yù)定程序使致動(dòng)器動(dòng)作來(lái)執(zhí)行預(yù)定的引擎控制(例如燃料噴射控制和點(diǎn)火控制)，以及下面描述的滾流控制。
[0058]在稀薄燃燒工作期間控制點(diǎn)火時(shí)的火花塞周圍的氣體流速的必要性在下面解釋。圖2表示空氣-燃料混合物的點(diǎn)火延遲、火花塞32周圍的氣體流速以及空氣-燃料混合物的燃料濃度之間的關(guān)系。內(nèi)燃機(jī)10的工作區(qū)域包括稀薄燃燒工作區(qū)域，在該區(qū)域中，在空氣燃料混合物中具有低燃料濃度的條件下執(zhí)行操作。當(dāng)在說(shuō)明書(shū)中解釋空氣-燃料混合物中的燃料濃度水平時(shí)，假設(shè)在引入EGR氣體時(shí)，不僅空氣，而且EGR氣體也被包括在空氣-燃料混合物中，也就是說(shuō)，其中不僅有吸入的空氣，而且還有EGR氣體。更詳細(xì)地說(shuō)，可以認(rèn)為稀薄燃燒工作在這樣的條件下執(zhí)行:即，通過(guò)將空氣量或EGR氣體量增加到超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)條件下的這些量，使得空氣-燃料混合物的燃料濃度低于以理論配比和零EGR比執(zhí)行操作的標(biāo)準(zhǔn)條件下的燃料濃度。換言之，稀薄燃燒工作在以下條件下執(zhí)行:即，使得A/F的燃料濃度等于或小于預(yù)定值(其中A/F的點(diǎn)火能力的劣化(點(diǎn)火延遲)成為問(wèn)題的條件)。稀薄燃燒工作區(qū)域通過(guò)引擎轉(zhuǎn)速和引擎負(fù)載來(lái)指定。
[0059]因此，說(shuō)明書(shū)中提及的稀薄燃燒工作不僅包括在高于理論配比的A/F下執(zhí)行的操作(即，其中通過(guò)增加空氣量相對(duì)于燃料量的比例來(lái)稀釋燃料濃度的操作)，而且還包括在通過(guò)引入大量EGR氣體所形成的高EGR比下執(zhí)行的操作(S卩，通過(guò)增加EGR氣體量相對(duì)于燃料量的比例來(lái)稀釋燃料濃度而執(zhí)行的操作)。通過(guò)在理論配比附近的A/F執(zhí)行的操作也可被包括在高EGR比下的此類操作中。
[0060]在實(shí)現(xiàn)高熱效率的稀薄燃燒工作期間，重要的是促使缸體內(nèi)空氣-燃料混合物中到更稀薄的燃料濃度的轉(zhuǎn)變，并且減少?gòu)膬?nèi)燃機(jī)10排放的NOx量。但是，在稀薄燃燒工作期間(特別是指像在實(shí)施例的內(nèi)燃機(jī)1中那樣，通過(guò)在整個(gè)缸體內(nèi)部均勻地形成稀薄的空氣-燃料混合物而執(zhí)行的均勻稀薄燃燒期間)，轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)度稀薄的燃料濃度可能使燃燒變得不穩(wěn)定。
[0061]如圖2所示，在稀薄燃燒工作期間，空氣-燃料混合物的點(diǎn)火延遲隨著燃料濃度的減小而增加。當(dāng)點(diǎn)火延遲增加時(shí)，內(nèi)燃機(jī)10的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大。進(jìn)一步地，點(diǎn)火延遲根據(jù)點(diǎn)火時(shí)(在火花塞32的放電時(shí)間段內(nèi))的火花塞32周圍的氣體流速(下文稱為“塞(plug)附近流速”)而改變。因此，為了使點(diǎn)火延遲落在其中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)處于允許水平的范圍內(nèi)，并且為了獲得穩(wěn)定的燃燒，有必要使點(diǎn)火時(shí)的塞附近流速落在固定范圍內(nèi)。如圖2所示，當(dāng)燃料濃度減小時(shí)，塞附近流速的預(yù)定流速范圍變窄。
[0062]點(diǎn)火延遲與塞附近流速之間的關(guān)系是這樣的關(guān)系:使得當(dāng)流速相對(duì)于特定流速值(最佳值)改變到較高流速側(cè)和較低流速側(cè)時(shí)，點(diǎn)火延遲增加。點(diǎn)火延遲在較高流速側(cè)和較低流速側(cè)增加的原因?qū)⒃谙旅鎱⒖紙D3進(jìn)行解釋。圖3按時(shí)間順序示出在出現(xiàn)放電中斷的情況下，放電時(shí)間段內(nèi)的放電火花的行為。
[0063]如圖3(a)所示，在放電開(kāi)始之后，通過(guò)火花塞32周圍的氣體流動(dòng)導(dǎo)致塞間隙(pluggap)中已經(jīng)出現(xiàn)的電火花流動(dòng)，如圖3(b)和3(c)所示。因此，放電路徑長(zhǎng)度增加。在發(fā)生放電時(shí)，由于放電火花路徑上的氣體電離導(dǎo)致電阻降低。但是，在由塞附近的高流速導(dǎo)致的放電路徑長(zhǎng)度過(guò)度增加時(shí)，放電路徑上的電阻值增大到超過(guò)塞間隙中的最短距離上的電阻值，并且出現(xiàn)放電中斷，如圖3(d)所示。當(dāng)放電中斷出現(xiàn)時(shí)，在塞間隙中的最短距離上再次立即執(zhí)行放電，如圖3(e)所示。
[0064]下面首先解釋點(diǎn)火性能在高流速側(cè)劣化的原因。在接近稀薄界限的燃料濃度上，空氣-燃料混合物需要特定的時(shí)間來(lái)達(dá)到點(diǎn)火階段(直到開(kāi)始化學(xué)反應(yīng))。當(dāng)塞附近流速增加時(shí)，放電被中斷之前的時(shí)間縮短。因此，特定位置處的同一 A/F被電火花加熱并且達(dá)到點(diǎn)火階段所需的時(shí)間不足。因此，點(diǎn)火性能劣化。
[0065]接著解釋點(diǎn)火性能在低流速側(cè)劣化的原因。放電產(chǎn)生的電火花的每單位長(zhǎng)度的能量由點(diǎn)火線圈的特征確定并且恒定，而不管放電路徑長(zhǎng)度如何。因此，當(dāng)放電路徑長(zhǎng)度通過(guò)氣體流動(dòng)等增加時(shí)，被提供給整個(gè)空氣-燃料混合物的能量增加，并且所加熱的空氣-燃料混合物的體積也增加。但是，當(dāng)塞附近流速減小時(shí)，放電路徑不可能延長(zhǎng)。因此，所提供的能量或空氣-燃料混合物體積都不會(huì)增加。這樣，點(diǎn)火性能劣化。
[0066]如上所述，為了使點(diǎn)火延遲落在其中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)處于允許水平的范圍內(nèi)，以及為了獲得穩(wěn)定的燃燒，有必要使點(diǎn)火時(shí)的塞附近流速落在固定范圍內(nèi)。然而，流入缸體的氣體的流速與引擎轉(zhuǎn)速成比例。因此，當(dāng)不對(duì)塞附近流速執(zhí)行任何控制時(shí)，塞附近流速與引擎轉(zhuǎn)速成比例地單調(diào)遞增，如下面描述的圖9中的虛線所示。因此，在實(shí)施例中，使用在缸體內(nèi)產(chǎn)生的滾流的形狀變化來(lái)控制稀薄燃燒工作區(qū)域點(diǎn)火時(shí)的塞附近流速。更具體地說(shuō)，滾流形狀在通常滾動(dòng)形狀(也稱為“第一滾動(dòng)形狀”)與下面定義的ω滾動(dòng)形狀(也稱為“第二滾動(dòng)形狀”)之間改變。
[0067]具有ω滾動(dòng)形狀的滾流的產(chǎn)生機(jī)制在下面解釋。圖4Α到4C示出通常滾動(dòng)形狀的具體特征。圖5Α到5(:示出ω滾動(dòng)形狀的具體特征。更具體地說(shuō)，圖4Α和5Α是從上方觀察的燃燒室14的平面圖。圖4Β和5Β是從進(jìn)氣側(cè)觀察的燃燒室14的側(cè)視圖。圖4C和5C分別示出當(dāng)從上方觀察燃燒室14時(shí)，具有通常滾動(dòng)形狀和ω滾動(dòng)形狀的滾流的流動(dòng)方向。圖4Α到4C以及圖5Α到5C與接近壓縮行程中的上止點(diǎn)(top dead center)的時(shí)間對(duì)應(yīng)。
[0068]缸體內(nèi)產(chǎn)生的滾流的基本旋轉(zhuǎn)方向是圖1的逆時(shí)針?lè)较?，也就是這樣的方向:其中，按照描述順序，從進(jìn)氣端口 16a流入缸體的氣體朝著燃燒室14的頂面、排氣閥28側(cè)的缸體內(nèi)的壁面、活塞12的頂面、進(jìn)氣閥26側(cè)的缸體內(nèi)的壁面、以及燃燒室14的頂面流動(dòng)。下面介紹的滾動(dòng)中心軸通過(guò)以下方式獲得:即，連接從圖4A中箭頭(A)的方向觀察到的燃燒室14的剖面中的滾流的渦心點(diǎn)。圖4A到4C以及圖5A到5C中的白色圓形符號(hào)表示穿過(guò)其中設(shè)置火花塞32的缸徑中心的剖面(進(jìn)氣-排氣方向上的剖面)中的滾流的渦心點(diǎn)，這些圖中的黑色圓形符號(hào)表示穿過(guò)進(jìn)氣閥26和排氣閥28的軸心的剖面中的滾流的渦心點(diǎn)。
[0069]通常滾動(dòng)形狀的滾動(dòng)中心軸是相對(duì)于缸體水平的無(wú)彎曲軸，如圖4A和4B所示。因此，具有通常滾動(dòng)形狀的流變?yōu)閺倪M(jìn)氣側(cè)朝向排氣側(cè)的均勻流，如圖4C所示，即使在壓縮行程的后半段中也是如此。與之相比，具有ω滾動(dòng)形狀的滾動(dòng)中心軸是彎曲軸，對(duì)于該軸而言，缸徑中心(也是火花塞位置)中的滾流的渦心是彎曲點(diǎn)，如圖5A和5B所示。更具體地說(shuō)，在ω滾動(dòng)形狀的情況下，穿過(guò)缸徑中心的剖面中的滾流的渦心位置(由白色圓圈符號(hào)表示)相對(duì)于其周圍的渦心位置升高，如圖5Β所示。更具體地說(shuō)，在壓縮上止點(diǎn)的附近，在穿過(guò)缸徑中心的剖面中的滾流的渦心位置處，出現(xiàn)相對(duì)于燃燒室14的容積中心從水平方向到朝上方向的偏移。此類偏移在下文中被簡(jiǎn)稱為“滾流渦心的偏移”。因此，在這種情況下，本來(lái)應(yīng)該為缸體內(nèi)的單一剛性渦的滾流改變?yōu)榫哂袃蓚€(gè)中心軸的滾流(正如從燃燒室14的上方觀察到的，具有旋轉(zhuǎn)方向彼此相反的兩個(gè)旋流(橫向渦流)成分的滾流)，這是因?yàn)樵趬嚎s行程中壓縮缸內(nèi)氣體的過(guò)程中，滾動(dòng)中心軸發(fā)生彎曲。因此，通過(guò)ω滾動(dòng)形狀，在壓縮上止點(diǎn)附近，從燃燒室14的上方觀察時(shí)流具有ω形狀，如圖5C所示。當(dāng)產(chǎn)生這種ω形狀的流時(shí)，火花塞32周圍的氣體的流動(dòng)方向在壓縮行程中的壓縮上止點(diǎn)附近反轉(zhuǎn)。
[0070]此外，在進(jìn)氣行程中，在通常滾動(dòng)形狀和ω滾動(dòng)形狀這二者的滾動(dòng)中心軸中出現(xiàn)彎曲。當(dāng)在壓縮上止點(diǎn)附近保持滾動(dòng)中心軸的彎曲時(shí)，獲得ω滾動(dòng)形狀，并且當(dāng)滾動(dòng)中心軸的彎曲在壓縮行程中消失時(shí)，獲得通常滾動(dòng)形狀。
[0071]圖6Α和6Β表示當(dāng)已經(jīng)出現(xiàn)具有ω滾動(dòng)形狀的滾流時(shí)，壓縮行程的后半段中的缸體內(nèi)的氣體流速的變化。更具體地說(shuō)，圖6Β的上部分圖形示出測(cè)量點(diǎn)A中的氣體流速的變化。測(cè)量點(diǎn)A是塞間隙位置。圖6Β的中間部分圖形示出相對(duì)于測(cè)量點(diǎn)A的缸徑徑向朝外的預(yù)定位置處的氣體流速的變化。圖6Β的下部分圖形示出相對(duì)于測(cè)量點(diǎn)A的缸徑進(jìn)一步徑向朝外的預(yù)定位置處的氣體流速的變化。在圖6Α和6Β中，從進(jìn)氣閥側(cè)朝向排氣閥側(cè)的流速被視為正流速。同樣適用于下面描