專利名稱：火花點火式汽油發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及火花點火式汽油發動機。
背景技術：
例如在 John B· Heywood 著的“Internal Combustion Engine Fundamentals，，(文 獻Dl)中揭示的那樣，火花點火式汽油發動機理論上是按照四沖程循環(Otto Cycle)工作 的，其理論熱效率為nth時，則nth= 1-(1/ε ^1)(1)(其中，ε為壓縮比，κ為比熱比)從式(1)可見，火花點火式汽油發動機的理論熱效率(因此圖示為有效熱效率) 在一定范圍內隨壓縮比增大而增高。有關這方面，文獻Dl介紹了以下的研究針對在節氣 門全開(所謂的WOT =Wide-Open Throttle)、使火花點火式汽油發動機以2000rpm的轉速 運行時的各種壓縮比ε <20)對理論熱效率的影響進行了調查。根據其記載，理論 熱效率及平均有效壓力(MEP:Mean Effective Pressure)在壓縮比到達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，至今在嘗試高壓縮比發動機的實用化。
但是，高壓縮比的火花點火式發動機中，無法避免包括節氣門全開區域在內的高 負荷運行區域的爆燃引起的輸出功率的下降。針對這一問題，作為一般的爆燃對策，周知有延遲點火時間的點火延遲。但是，一 般認為在包括節氣門全開區域在內的高負荷運行區域中，利用點火延遲來避免爆燃會引起 較大的輸出功率的下降，大大地有損于商品特性。圖1是表示高負荷運行時的點火延遲的一個例子的曲線圖。例如，如圖1所示，在通常的發動機中普遍采用的壓縮比(ε =11)時，將點火時 間設定在壓縮上止點前4°時沒有發生爆燃，但在高壓縮比(ε = 13)時，即使將點火時間 設定在壓縮上止點前4°時也會發生爆燃。因此，一般認為為了采用高壓縮比，需要大幅度 的點火時間的延遲。為此，當將壓縮比提高到13左右時，為了防止爆燃而采用的點火時間 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論，以往，考慮到點火時間延遲引起的輸出功率下降，對于包括節氣 門全開區域在內的高負荷運行區域，將壓縮比12設定為高壓縮比的極限，不使用更大的高 壓縮比。為此，針對包括節氣門全開區域在內的高負荷運行區域，已知有利用所謂的阿特金桑循環(Atkinson Cycle)或米勒循環(Miller Cycle)來降低有效壓縮比的方法。但 是，若高負荷運行時改變進氣氣門的關閉時間來降低有效壓縮比，則在進氣行程中，進氣受 損而壓力降低，充氣效率減小導致輸出功率下降。為此，已知有在包括節氣門全開區域在內的高負荷運行區域中，減小發動機的 幾何壓縮比的技術。例如，在日本專利特開2005-076579號(文獻D2)、日本專利特開 2005-146991號(文獻D3)中揭示了以下技術在發動機上設置可改變幾何壓縮比的可變 壓縮比機構，根據運行情況改變幾何壓縮比。上述文獻D2、D3揭示的技術中，都是在節氣門全開區域中通過降低壓縮比來避免 爆燃的。因此，在火花點火式汽油發動機中的針對高壓縮比的提案要么犧牲輸出功率，要么 增加成本，現實情況是被迫兩者選一。而且，如文獻D2、D3揭示的那樣，設置改變幾何壓縮比的機構會使發動機變得復 雜、成本也提高。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種即使在低速區域的高負荷運行區域(尤其 是節氣門全開區域)也具有高輸出功率性的火花點火式汽油發動機。本案發明人經過潛心研究，結果發現在由爆燃極限決定的點火時間在壓縮上止點 以后那樣的高壓縮比(ε = 13以上)的發動機中，在壓縮上止點以后，缸內的冷焰反應顯 著，通過該冷焰反應，壓縮比提高量所帶來的輸出功率上升量遠大于為防止爆燃而延遲點 火時間所引起的輸出功率的下降，從而完成了本發明。S卩，為了解決上述問題，本發明的至少具有火花塞的火花點火式汽油發動機，其特 征在于，包括幾何壓縮比設定在13. 5以上、利用辛烷值為91R0N以上的燃料進行運行的發 動機本體；分別設置在與所述發動機本體的氣缸連接的進氣口及排氣口上、對對應的進排 氣口進行開閉的進氣氣門及排氣氣門；檢測所述發動機本體的運行狀態的運行狀態檢測裝 置；以及根據所述運行狀態檢測裝置的檢測，至少執行所述火花塞的點火時間的調節控制 的控制裝置，該發動機本體的運行區域至少在低速區域的包含節氣門全開區域的高負荷運 行區域時，所述控制裝置將點火時間延遲到壓縮上止點后的規定期間內。在該形態中，當高 壓縮比、點火時間延遲至壓縮上止點以后時，壓縮上止點以后的燃燒過程中會發生多級著 火，尤其是在規定的壓縮比時，冷焰反應顯著。因此，即使在使用辛烷值較低的燃料時，也可 在低速區域的至少包含節氣門全開區域的高負荷運行區域，有效利用缸內的冷焰反應，得 到高的轉矩。從而本發明的火花點火式汽油發動機即使在低速區域的高負荷運行區域(尤 其是節氣門全開區域)也可實現高輸出功率。在所述形態中，最好是所述控制裝置在中速旋轉區域以上的發動機旋轉區域將點 火時間切換至壓縮上止點之前。利用辛烷值為91R0N以上的燃料進行運行的火花點火式汽油發動機中，所述發動 機本體的幾何壓縮比的上限最好為15.5。此時，即使在進氣溫度高的情況或對暖機時的發 動機進行再啟動的情況等容易產生自點火的情況下維持高的有效壓縮比，也可防止過早點 火等的發生。本發明的另一形態的至少具有火花塞的火花點火式汽油發動機，包括幾何壓縮比設定在14以上的發動機本體；分別設置在與所述發動機本體的氣缸連接的進氣口及排 氣口上、對對應的進排氣口進行開閉的進氣氣門及排氣氣門；檢測所述發動機本體的運行 狀態的運行狀態檢測裝置；以及根據所述運行狀態檢測裝置的檢測，至少執行所述火花塞 的點火時間的調節控制的控制裝置，該發動機本體的運行區域是至少在低速區域的包含節 氣門全開區域的高負荷運行區域時，所述控制裝置將點火時間延遲到壓縮上止點后的規定 期間內。在該形態中，當高壓縮比、點火時間延遲至壓縮上止點以后時，壓縮上止點以后的 燃燒過程中會發生多級著火，尤其是在規定的壓縮比時，冷焰反應顯著。在產生冷焰反應的 區域，莫爾數上升，其結果缸內溫度未達到壓力上升那樣的程度。此外，在燃燒室的中央側 產生冷焰反應，在剩余廢氣(End Gas)中冷焰反應的發生較少，因而也能抑制缸內溫度上 升。通過這樣的溫度條件，產生甲醛(HCHO)，且促進消費該甲醛成為爆燃原因的OH基，從這 方面也可抑制自燃。至少在低速區域的包含節氣門全開區域在內的高負荷運行區域中的高 壓縮比情況下，通過構成這樣的爆燃抑制機理，可將冷焰反應帶來的熱效率的改善量補充 點火時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動機程度 的燃料費。例如，壓縮比為14時，冷焰反應引起的發熱率的上升，降低時間損失，能得到高 的轉矩。從而本發明的火花點火式汽油發動機即使在低速區域的高負荷運行區域(尤其是 節氣門全開區域)也可實現高輸出功率。在較佳的形態中，所述發動機本體使用辛烷值為96R0N以上的燃料進行運行。在 該形態中，在低速區域的至少包含節氣門全開區域的高負荷運行區域中，使有效壓縮比為 13以上，并將點火時間延遲到規定期間內，從而能最有效地利用缸內的冷焰反應，得到大的 轉矩。詳細的如后所述，當噴射96R0N以上的燃料時，壓縮比為13以上，達到引起冷焰反應 的活性化能量以上，通過點火延遲能提高冷焰反應引起的發熱量，提高轉矩。上述火花點火式汽油發動機中，所述發動機本體的幾何壓縮比的上限最好為16。 此時，即使在進氣溫度高的低速全負荷運行的情況或對暖機時的發動機進行再啟動的情況 等容易產生自點火的情況下維持高的有效壓縮比，也可防止過早點火等的發生。較佳的形態中，所述發動機本體利用辛烷值為100R0N以上的燃料運行，所述發動 機本體的幾何壓縮比的上限最好為16.5。此時，即使在進氣溫度高的情況或對暖機時的發 動機進行再啟動的情況等容易產生自點火的情況下維持高的有效壓縮比，也可防止過早點 火等的發生。在幾何壓縮比設定為14以上的形態中，當所述發動機本體的運行區域為低速低 負荷運行區域時，所述控制裝置將有效壓縮比下降到小于13，在從壓縮上止點提前規定量 的時間使火花塞點火，同時，所述規定期間設定為小于所述低速低負荷運行區域時的點火 時間距壓縮上止點的提前量。在該形態中，在低速低負荷運行區域時，將有效壓縮比下降 到小于13，能可靠地預防爆燃，并通過使點火時間與一般的發動機一樣從壓縮上止點提前， 可實現與運行區域相對應的較高的壓縮比情況下的良好的燃燒。因為利用進氣氣門關閉時 間來改變有效壓縮比，因而可降低泵送損失，節省燃料費。即，當通常的壓縮比的發動機執 行進氣氣門的延遲關閉(或提前關閉)時，隨著有效壓縮比相當程度的降低，燃燒變得不穩 定。因此，存在可延遲關閉(或提前關閉)的范圍限制較多、或EGR無法充分導入等的限制。 本發明中，因為幾何壓縮比設定得相當高，因此即使有效壓縮比下降，但實際壓縮比依然較 高，燃燒穩定性提高。因此，能擴大進氣氣門的延遲關閉(或提前關閉)的范圍，而且若氣門時間相同，則與低壓縮比的情況相比，可提高EGR率。另一方面，在所述低速區域的所述 節氣門全開區域延遲點火時間時的延遲量設定為較小的值。其結果，在低速區域的高負荷 運行區域中，在進入膨脹行程后，能在避免爆燃的同時維持極大的轉矩。在幾何壓縮比設定為14以上的形態中，設定在所述控制裝置內的上述低速區域 是將發動機旋轉區域分成低速、中速、高速這三個階段時的低速區域，上述規定期間是所述 活塞經過上止點后10%以下的行程范圍。在該形態中，將運行區域以發動機轉速區域分割 成三個階段，在其低速轉速區域，調節進氣氣門關閉時間以使全開區域的有效壓縮比維持 在13以上，同時將點火時間延遲到該活塞經過上止點后10%以下的行程范圍內，就可實現 與運行區域相對應的較高的壓縮比情況下的良好的燃燒。不過，發動機的旋轉區域的分割 并不一定要等分割。在幾何壓縮比設定為14以上的形態中，最好是所述控制裝置在中速旋轉區域以 上的發動機旋轉區域將點火時間切換至壓縮上止點之前。在各形態中，最好具有將點火時間延遲到壓縮上止點后時縮短混合氣的燃燒期間 的燃燒期間縮短裝置。此時，通過燃燒期間縮短裝置能盡可能地提高膨脹行程中的發熱率， 抑制時間損失，能得到大的轉矩。在各形態中，所述燃燒期間縮短裝置最好是使缸內生成紊流的紊流生成裝置。此 時，通過比較簡單的機構或控制，能盡可能地提高膨脹行程中的發熱率、抑制時間損失、得 到大的轉矩。在各形態中，最好在各氣缸上設有多個火花塞，所述燃燒期間縮短裝置是使多個 火花塞動作的多點點火裝置。此時，通過多點點火可促進燃燒速度，能盡可能地提高膨脹行 程中的發熱率、抑制時間損失、得到大的轉矩。在各形態中，所述發動機本體的幾何壓縮比的上限最好為15. 5。此時，即使在進氣 溫度高的情況或對暖機時的發動機進行再啟動的情況等容易產生自點火的情況下維持高 的有效壓縮比，也可防止過早點火等的發生。在各形態中，最好設有可通過所述控制裝置調節外部EGR量的外部EGR系統，發 動機本體的運行區域至少是低速區域的包含節氣門全開區域(Awra)在內的高負荷運行區域 時，所述控制裝置將外部EGR導入。此時，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。其結果，能得到大的轉矩并節省燃料費。即，壓縮比高時，在壓 縮行程中，缸內溫度急劇上升，容易產生爆燃。而且，急劇產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氣體導入時，即使有效壓縮比 處于較高的狀態，燃燒溫度也較低，其結果可抑制爆燃和熱損失，維持大的轉矩并節省燃料 費。在具有所述外部EGR系統的形態中，至少在低速低負荷運行區域，所述控制裝置 最好導入外部EGR。此時，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。各形態中，至少在低速低負荷運行區域中，所述控制裝置最好將所述進氣氣門的 關氣門時間從進氣下止點錯開規定量以降低所述壓縮比。此時，在燃燒狀態比較容易不穩 定的運行區域使有效壓縮比降低，確保高膨脹比。其結果，可防止高壓縮比引起的爆燃，同 時降低泵送損失，節省燃料費。在低速低負荷運行區域中，將所述進氣氣門的關氣門時間從進氣下止點錯開規定量以降低壓縮比的形態中，設有可通過控制裝置的控制將EGR導入缸內的EGR裝置，至少是 上述低速低負荷運行區域中，所述控制裝置最好導入EGR。此時，有效壓縮比下降，同時能盡 可能地降低熱損失，維持低燃料費。即，壓縮比高時，在壓縮行程中，缸內溫度急劇上升。在 此，急劇產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 排出的已燃氣體導入時，有效壓縮比下降，且燃燒溫度降低，其結果可抑制熱損失，維持低 燃料費。在設有可通過控制裝置的控制將EGR導入缸內的EGR裝置的形態中，在所述低速 低負荷運行區域中，所述控制裝置最好將空燃比設定為理論空燃比。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行也可充 分降低燃料費，在排氣通路上能配置與NOx催化劑相比廉價且凈化率高的三元催化劑，因 而即使在低速低負荷運行區域中也可發揮足夠的排氣性能。在設有可通過控制裝置的控制將EGR導入缸內的EGR裝置的形態中，設定在所述 控制裝置內的所述低速低負荷運行區域最好包含怠速運行區域。此時，即使在使用頻度高 的怠速運行區域中也可維持低燃料費。在各形態中，最好具有推測所述發動機本體的缸內溫度的缸內溫度推測裝置，在 冷機啟動時，所述控制裝置將進氣氣門關閉時間設定在進氣下止點附近，并調節控制進氣 氣門的關閉時間以提高有效壓縮比以及確保足夠的進氣。此時，通過提高有效壓縮比并確 保足夠的進氣，可提高體積效率，能得到良好的著火/燃燒性能和提升發動機轉速所需的 足夠的轉矩。在各形態中，最好具有檢測發動機的加速的發動機加速檢測裝置，從低負荷運行 區域進行急加速時，所述控制裝置將點火時間一下子延遲到壓縮上止點后的規定期間的最 大允許值。此時，可避免急加速時吸入的高溫新鮮空氣引起的爆燃。在各形態中，最好設有可通過所述控制裝置控制噴射時間的燃料噴射閥，當該發 動機本體的運行區域是低速區域的至少從規定的中負荷運行區域至包含節氣門全開區域 的中高負荷運行區域時，所述控制裝置執行將燃料在從進氣行程至壓縮行程的規定期間內 進行多次噴射的分割噴射。此時，通過分割燃料噴射，在進氣行程噴射出的燃料的氣化霧化 得到促進，能在燃燒室內形成弱分層的混合氣，可縮短燃燒時間、提高輸出功率和節省燃料 費。在本發明的另一形態中，設有可通過所述控制裝置控制噴射時間的燃料噴射閥， 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中，設有可通過所述控制裝置控制噴射時間的 燃料噴射閥，當該發動機本體的運行區域是低速區域的至少從規定的中負荷運行區域至包 含節氣門全開區域的中高負荷運行區域時，所述控制裝置最好執行將燃料在從進氣行程至 壓縮行程的規定期間內進行多次噴射的分割噴射。此時，通過分割燃料噴射，在進氣行程噴 射出的燃料的氣化霧化得到促進，能在燃燒室內形成弱分層的混合氣，可縮短燃燒時間、提 高輸出功率和節省燃料費。在使用直噴型的燃料噴射閥的形態中，最好在所述發動機本體的活塞頂面設有隆 起部和凹部，所述隆起部形成在所述頂面的周邊部，在從壓縮上止點進入膨脹行程時生成 逆擠壓流，而所述凹部形成在所述頂面中央部分，所述控制裝置對燃料噴射閥進行控制，以在壓縮行程噴射燃料。此時，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熱率、抑制時間損 失、有助于提高轉矩和節省燃料費。而且，在有效壓縮比ε^為13以上的運行區域中，凹部 有助于經過壓縮上止點后燃燒室中的冷焰生成，也成為進一步提高輸出功率的要素。本發明的另一形態，最好設有進氣口式燃料噴射閥，其設于所述進氣口，可通過所 述控制裝置來控制噴射時間，在所述低速區域的低中負荷運行區域時，所述控制裝置將所 述有效壓縮比降低到小于13，并將點火時間設定在壓縮上止點之前的規定期間內。在設有進氣口式燃料噴射閥的形態中，所述發動機本體的每個氣缸都具有活塞， 該活塞具有在頂面中央部分形成的凹部。在該形態中，在有效壓縮比ε,為13以上的運行 區域中，凹部有助于經過壓縮上止點后燃燒室中的冷焰生成，也成為進一步提高輸出功率 的要素。本發明的這些和另外的目的、特征、優點將會通過對以下參照附圖的詳細說明的閱讀變得更清楚。
圖1是表示高負荷運行時的點火延遲的一個例子的曲線圖。圖2是表示用于說明本發明開發過程中的假設的曲柄角度和轉矩的關系的曲線 圖。圖3是表示點火時間和IMEP的關系的仿真結果的曲線圖。圖4是表示在壓縮比為11、13、14、15的發動機中，在經過壓縮上止點后8°C A點火 時的發熱率和曲柄角度的關系的曲線圖。圖5是高壓縮比情況下經過了壓縮上止點后的燃燒過程的模擬曲線圖，上圖表示 壓力和時間的關系，下圖表示莫爾數增加比例和時間的關系。圖6是表示到達壓縮上止點時燃燒室的溫度分布的等高線。圖7是表示燃燒時缸內壓力和周圍部分的剩余廢氣部分的絕熱壓縮溫度的變化 經過的曲線圖，上圖表示壓力和曲柄角度的關系，下圖表示剩余廢氣溫度和曲柄角度的關 系。圖8是表示壓縮比為14時的發熱率和曲柄角度的關系的曲線圖。圖9是基于數值模擬的壓縮比為14時的PV線圖。圖10是將壓縮比和由冷焰反應引起的發熱量的關系按各辛烷值表示的曲線圖。圖11是將根據圖10的曲線圖計算得到的壓縮比和圖示平均有效壓力(IMEP)的 關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系統時的幾何壓縮比和有效壓縮比的關系 的曲線圖。圖13是表示本發明的一實施形態的控制裝置的概要構成的結構圖。圖14是表示圖13的四循環火花點火式汽油發動機的一個氣缸的結構的剖面簡 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施形態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施形態的燃燒室的氣流的說明圖。圖17是表示圖13的實施形態的氣門機構的具體構成的立體圖。圖18A是表示大氣門升程控制狀態下升程為0時圖17的氣門機構的主要部分的 剖視圖。圖18B是表示大氣門升程控制狀態下升程為最大時圖17的氣門機構的主要部分 的剖視圖。圖18C是表示小氣門升程控制狀態下升程為0時圖17的氣門機構的主要部分的 剖視圖。圖18D是表示小氣門升程控制狀態下升程為最大時圖17的氣門機構的主要部分 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。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。圖20是表示圖13的實施形態中成為控制圖的基礎的發動機轉速和需求轉矩的關 系的曲線圖。圖21是表示圖13的實施形態中成為控制圖的基礎的有效壓縮比的控制例的時 圖。圖22是表示圖13的實施形態中成為控制圖的基礎的一例點火時間的曲線圖。圖23A是圖13的實施形態中成為控制圖的基礎的燃料噴射時間，是例示了實現弱 分層的混合氣形成用的分割噴射的一個例子的曲線圖。圖2 是圖13的實施形態中成為控制圖的基礎的燃料噴射時間，是例示了實現分 層的混合氣形成用的分割噴射的一個例子的曲線圖。圖M是表示圖13的實施形態的控制流程的流程圖。圖25是表示圖13的實施形態的控制流程的流程圖。圖沈是與圖13的實施形態相關的PV線圖。圖27是表示使用了帶空轉功能的氣門機構的控制例的曲線圖。圖觀是表示本發明的其他實施形態的作為進氣加熱裝置的進氣加熱系統的構成 的結構圖。圖29是表示圖觀的實施形態的作為進氣加熱裝置的進氣加熱系統的構成的結構圖。圖30是表示本發明的進氣口噴射式的四循環火花點火式汽油發動機的一個氣缸 的結構的剖面簡圖。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施形態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施形態的燃燒室的氣流的說明圖。圖33是表示本發明的其他實施形態中成為控制圖的基礎的發動機轉速和需求轉 矩的關系的曲線圖。
具體實施例方式(高壓縮比發動機的燃燒輸出功率機理)
首先，對本發明的高壓縮比和爆燃抑制的關系進行詳細敘述。本案發明人在研究爆燃和幾何壓縮比的關系的過程中，發現當將壓縮比提高到由 爆燃極限決定的點火時間成為壓縮上止點以后時，為了防止爆燃而延遲的點火時間的延遲 量減少，壓縮比提高量所帶來的輸出功率上升量遠大于為防止爆燃而延遲點火時間所引起 的輸出功率的下降這樣的現象。對于該現象，本案發明人設立了以下假設如圖2的圓點所 示，當壓縮比為13以上時，上述延遲量在較小的行程范圍內遞減。該假設是根據以下想法而來的當將點火時間延遲到壓縮上止點以后時，盡管通 過提高壓縮比會使壓縮上止點處的壓力、溫度一度上升，但通過點火延遲，缸內的剩余廢氣 (endgas)在產生自燃(autoignition)之前活塞急劇下降，壓力、溫度下降，故自燃難以發生。為了驗證該假設，本案發明人利用數值模擬方法，對圖示平均有效壓力(IMEP)和 點火時間的關系進行了模擬，得到了圖3所示的曲線圖。如圖3所示的數值模擬可見，壓縮比11與12相比，12與13相比時，IMEP稍許上 升，與其相對，13與14相比時，IMEP上升較大，14與15相比時，IMEP的上升比例比13至 14的情況減小。為了驗證該輸出功率變化，本案發明人研究了各壓縮比情況下的發熱率。如圖4所示，壓縮比為11、13時，壓縮上止點至點火時間的發熱率緩慢上升，與其 相對，壓縮比為14時，點火時間稍前的發熱率有很大的上升。從該結果可見，通過將壓縮比 從某一值(96R0N時ε = 13)提高設定為某一值(96R0N時ε = 14)，活塞上升引起的壓力 上升，產生伴隨超過周圍的冷損的微量的發熱反應的冷焰反應。從圖3及圖4的結果可見，當高壓縮比、點火時間延遲至壓縮上止點以后時，壓縮 上止點以后的燃燒過程中會發生多級著火，尤其是在規定的壓縮比(例如辛烷值為96R0N， 幾何壓縮比為14時)時，冷焰反應顯著。以下對冷焰反應帶來的抑制爆燃惡化的效果進行 說明。圖5是對高壓縮比情況下經過了壓縮上止點以后的燃燒過程進行模擬得到的曲 線圖，上圖表示壓力和時間的關系，下圖表示莫爾數增加比例和時間的關系。該計算值是通 過準備高溫高壓的定容量器，以時間變化計算壓力和莫爾數的變化所得到的。如圖5所示，當活塞經過壓縮上止點后經過時間達到tl時，發生冷焰反應，壓力稍 許上升。在發生該冷焰反應期間，體積一定，莫爾數增加，故從理想氣體的狀態方程式PV = nRT (1-1)(其中，P壓力，V 體積，η 莫爾數，R 氣體常數，T 溫度)可見，未產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系情況 下，缸內的剩余廢氣中的溫度上升也未達到壓力上升那樣的程度，難以發生自燃。燃燒室 (定容量器)中，在經過規定時間后(t2)，出現通過連鎖反應而產生熱焰反應，壓力急劇上 升這樣的多級點火現象。下面，活塞到達壓縮上止點時，缸內溫度如圖6那樣變化。如圖6所示，活塞到達壓縮上止點時的燃燒室，中央部因冷焰反應而處于高溫，周 圍部分(剩余廢氣部分)受到壁溫的影響而難以繼續冷焰反應，故周圍部分的缸內溫度停 留在800K左右。因此，在發生冷焰反應過程中，周圍部分的缸內溫度以相對低溫的狀態持 續燃燒，從而可抑制爆燃惡化。
接著，在燃燒室內冷焰反應持續期間會產生甲醛(HCHO)。該甲醛在燃燒室溫度為 900K以下時吸收成為爆燃原因的OH基，從而能抑制爆燃。圖7是表示燃燒時缸內壓力和周圍部分的剩余廢氣部分的絕熱壓縮溫度的變化 經過的曲線圖，上圖表示壓力和曲柄角度的關系，下圖表示剩余廢氣溫度和曲柄角度的關 系，實線是進氣口噴射式發動機的特性，假想線是直噴式發動機的特性。如圖7所示，某一氣缸的活塞從下止點經過壓縮上止點再到下止點的過程中，隨 著從壓縮上止點上升規定曲柄角度，壓力和溫度也同時上升，但只要進氣溫度不高到極限， 燃燒室的剩余廢氣部分的溫度不會超過900K。由此，發現即使是由爆燃極限決定的點火時 間為壓縮上止點以后的、壓縮比高的發動機，因發生多級著火現象，冷焰反應中生成的甲醛 有助于抑制爆燃。如上所述，由爆燃極限決定的點火時間為壓縮上止點以后的、壓縮比高的發動機 中，作為爆燃抑制機理有以下三個方面起作用(1)燃燒室中，冷焰反應期間溫度上升并未達到壓力上升那樣的程度；(2)冷焰反應主要在燃燒室的中央部發生，故剩余廢氣部分的溫度相對較低；(3)活塞經過壓縮上止點后燃燒室也在規定溫度(900K)以下，故甲醛消耗OH基。為此，本案發明人將這些爆燃抑制機理與現有的基于化學反應的計算相結合，計 算了爆燃極限。圖3的圓點表示各壓縮比的爆燃極限的模擬結果。如圖3的圓點所示，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，將12與13相比時，延遲量基本相 同，與其相對，將13與14相比時，延遲量幾乎沒有變化。進一步將14與15相比時，延遲量 又重新增加。從這些結果發現，用于抑制爆燃的延遲量取決于冷焰反應的發熱量，以某一壓縮 比為峰值而遞減，當超過該壓縮比后又重新增加。接著本案發明人對冷焰反應和轉矩的關系進行了模擬。圖8是表示壓縮比為14時的發熱率和曲柄角度的關系的曲線圖，圖9是數值模擬 得到的壓縮比為14時的PV線圖。在各圖中，Cll是與實際的發動機相同地在經過壓縮上 止點后產生冷焰反應的情況，C12是表示故意沒有發生冷焰反應的情況。如圖8所示，通過點火延遲，在經過壓縮上止點后發生冷焰反應時，從剛經過壓縮 上止點后發熱率就緩慢增大，點火后(經過壓縮上止點后8°C A)發熱率不伴隨過早點火上 升。以此為前提，對PV特性運算的結果如圖9所示，PV特性中，在經過壓縮上止點后 的壓力維持高壓的狀態下燃燒，與沒有發生冷焰反應的情況相比，降低了時間損失。從這些模擬結果可見，在將壓縮比設定得較高、且將點火時間延遲到壓縮上止點 以后的情況下，在壓縮比為14時，可提高冷焰反應引起的發熱率的上升，降低時間損失，能 得到高的轉矩。接著，本案發明人對上述那樣的壓縮比和爆燃極限的關系隨辛烷值如何變化進行 了研究。參照圖10，將辛烷值與壓縮比進行組合，對冷焰反應產生的熱量進行測量，得到的 結果是使用辛烷值為96R0N的燃料時，壓縮比為12. 5以上的發動機中冷焰反應顯著，壓縮比為15以上的發動機中冷焰反應遞減。根據該實測值，對91R0N、100R0N的情況進行了運 算，在使用辛烷值為91R0N的燃料時，壓縮比為12.0以上的發動機中冷焰反應顯著，壓縮比 為14.5以上的發動機中冷焰反應遞減，在使用辛烷值為100R0N的燃料時，壓縮比為13.0 以上的發動機中冷焰反應顯著，壓縮比為15. 5以上的發動機中冷焰反應遞減。根據該圖10 的曲線圖，針對各辛烷值算出了爆燃發生點的輸出功率。參照圖11，在使用辛烷值為96R0N的燃料時，壓縮比為13以上15以下的發動機中 冷焰反應顯著，通過該冷焰反應所帶來的時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100R0N的燃料時，壓縮比為13.5以 上15以下的發動機中，以及在使用辛烷值為91R0N的燃料時，壓縮比為12. 5以上13. 5以 下的發動機中，分別比冷焰反應發生之前的壓縮比的輸出功率得到提高。尤其是驗證了辛烷值為96R0N、100R0N的燃料中，在冷焰反應發生最顯著的壓縮 比14附近輸出功率得到提高。接著，對壓縮比的上限進行說明。采用在壓縮上止點以后延遲點火的壓縮比，冷焰反應引起的輸出功率上升，但在 溫度和壓力高、時間長時，容易發生過早點火。例如，暖機時發動機在停車場等一度停止， 在進氣溫度正在上升時再次啟動時，有時進氣溫度會異常增大，此時，燃燒室的溫度急劇上 升，有時會發生過早點火。另外，最近，具有可調節進氣氣門的關閉時間的可變氣門配氣正 時系統(VVT)的發動機也已經普及了，但在低速時的節氣門全開區域，進氣氣門的關閉時 間是在經過進氣下止點后30°c 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，即使采用改變進氣氣門的關閉時間的手法，有效壓縮比的能降低范圍也是有限 的，最好預先按照某一基準設定幾何壓縮比的上限。另外，對于不同的運行情況，也存在無 法降低有限壓縮比的低速高負荷運行區域。為此，本發明中，通過按表1設定幾何壓縮比、 有效壓縮比、辛烷值的組合，能同時實現輸出功率的提高和爆燃的抑制。表權利要求
1.一種火花點火式汽油發動機，至少具有火花塞，其特征在于，包括幾何壓縮比設定在13. 5以上、利用辛烷值為91R0N以上的燃料進行運行的發動機本體；分別設置在與所述發動機本體的氣缸連接的進氣口及排氣口上、對對應的進排氣口進 行開閉的進氣氣門及排氣氣門；檢測所述發動機本體的運行狀態的運行狀態檢測裝置；以及根據所述運行狀態檢測裝置的檢測，至少執行所述火花塞的點火時間的調節控制的控 制裝置，該發動機本體的運行區域至少在低速區域的包含節氣門全開區域的高負荷運行區域 時，所述控制裝置將點火時間延遲到壓縮上止點后的規定期間內。
2.如權利要求1所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述控制裝置在中速旋轉區域以上的發動機旋轉區域將點火時間切換至壓縮上止點之前
3.一種火花點火式汽油發動機，至少具有火花塞，其特征在于，包括 幾何壓縮比設定在14以上的發動機本體；分別設置在與所述發動機本體的氣缸連接的進氣口及排氣口上、對對應的進排氣口進 行開閉的進氣氣門及排氣氣門；檢測所述發動機本體的運行狀態的運行狀態檢測裝置；以及根據所述運行狀態檢測裝置的檢測，至少執行所述火花塞的點火時間的調節控制的控 制裝置，該發動機本體的運行區域至少在低速區域的包含節氣門全開區域的高負荷運行區域 時，所述控制裝置將點火時間延遲到壓縮上止點后的規定期間內。
4.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述發動機本體使用辛 烷值為100R0N以上的燃料進行運行，所述發動機本體的幾何壓縮比的上限為16. 5。
5.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述控制裝置在中速旋轉區域以上的發動機旋轉區域將點火時間切換至壓縮上止點之前
6.如權利要求3項所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 設有可通過所述控制裝置控制噴射時間的燃料噴射閥，當該發動機本體的運行區域是低速區域的至少從規定的中負荷運行區域至包含節氣 門全開區域的中高負荷運行區域時，所述控制裝置執行將燃料在從進氣行程至壓縮行程的 規定期間內進行多次噴射的分割噴射。
7.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 具有推測所述發動機本體的缸內溫度的缸內溫度推測裝置，在冷機啟動時，所述控制裝置將進氣氣門關閉時間設定在進氣下止點附近，并調節控 制進氣氣門關閉時間以提高有效壓縮比以及確保足夠的進氣。
8.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 具有檢測發動機的加速的發動機加速檢測裝置，從低負荷運行區域進行急加速時，所述控制裝置將點火時間一下子延遲到壓縮上止點 后的規定期間的最大允許值。
9.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 設有可通過所述控制裝置控制噴射時間的燃料噴射閥，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， 在所述發動機本體的活塞頂面設有隆起部和凹部，所述隆起部形成在所述頂面的周邊 部，在從壓縮上止點進入膨脹行程時生成逆擠壓流，而所述凹部形成在所述頂面中央部分， 所述控制裝置對燃料噴射閥進行控制，以在壓縮行程噴射燃料。
10.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述發動機本體的每個氣缸都具有活塞，該活塞具有在頂面中央部分形成的凹部。
11.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述發動機本體使用辛 烷值為96R0N以上的燃料進行運行。
12.如權利要求11所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述發動機本體的幾 何壓縮比的上限為16。
13.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 設有通過所述控制裝置可調節外部EGR量的外部EGR系統，發動機本體的運行區域至少是在低速區域的包含節氣門全開區域的高負荷運行區域 時，所述控制裝置將外部EGR導入。
14.如權利要求13所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 所述控制裝置至少在低速低負荷運行區域時將外部EGR導入。
15.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，具有將點火時間延遲到壓縮上止點后時縮短混合氣的燃燒期間的燃燒期間縮短裝置。
16.如權利要求15所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 在各氣缸內設有多個火花塞，所述燃燒期間縮短裝置是使多個火花塞動作的多點點火裝置。
17.如權利要求15所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 所述燃燒期間縮短裝置是在缸內生成紊流的紊流生成裝置。
18.如權利要求17所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述發動機本體的幾 何壓縮比的上限為15.5。
19.如權利要求3所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，至少在低速低負荷運行區域中，所述控制裝置將所述進氣氣門的關氣門時間從進氣下 止點錯開規定量以降低所述壓縮比。
20.如權利要求19所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于， 設有通過控制裝置的控制將EGR導入到缸內的EGR裝置，所述控制裝置至少在所述低速低負荷運行區域時將EGR導入。
21.如權利要求20所述的火花點火式汽油發動機，其特征在于，所述控制裝置在所述低速低負荷運行區域時將空燃比設定為理論空燃比。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種即使在低速區域的高負荷運行區域(尤其是節氣門全開區域)也具有高輸出功率性的火花點火式汽油發動機。本發明的火花點火式汽油發動機，當該發動機本體的運行區域至少是低速區域的包含節氣門全開區域的高負荷運行區域時，控制裝置將點火時間延遲到壓縮上止點后的規定期間內。
文檔編號F02D13/02GK102052227SQ20101062098
公開日2011年5月11日 申請日期2007年3月29日 優先權日2006年3月31日
發明者人見光夫, 養祖隆, 山川正尚, 巖田典之, 林好德, 西本敏朗 申請人:馬自達汽車株式會社