在常规的柴油发动机中，通常以扩散燃烧的形式进行燃油的燃 烧。
由日本专利局在1995年出版的Tokkai Hei7-4287已经提出将低 温预混合燃烧应用于直接喷射柴油发动机中以减少氮的氧化物(NOx) 和颗粒物质(PM)。根据这种已有技术，降低了汽缸吸入空气的氧气 浓度并且通过废气再循环(EGR)系统降低了空气燃油混合物的燃烧 温度。所注入的燃油的点火延迟大大地加长，并且促进了在点火之前 汽缸吸入空气和燃油的混合。
燃烧温度的下降使NOx减少，并且在点火之前促进燃油和汽缸 吸入空气使PM减少。
为了实现低温预混合燃烧，必须在固定的限度内控制燃烧温度和 点火延迟周期。在发动机的重负载区间或高转速区间中，由于再循环 废气的温度的升高造成很难满足这些条件。因此，在使用这种已有技 术中的柴油发动机中，在高负载区间或高转速区间中执行扩散燃烧。

根据这种已有技术，在存在从预混合燃烧转换至扩散燃烧或从扩 散燃烧转换至预混合的情况下，空气燃油混合物的过剩空气系数和 EGR率逐渐改变。在此，过剩空气系数与包含在汽缸吸入空气中的氧 气量直接相关，而EGR率与汽缸吸入空气的氧气浓度直接相关。
然而，根据本发明人的研究，在预混合燃烧和扩散燃烧之间，没 有同时执行这两种燃烧的中间燃烧状态，在变换燃烧模式的过程中 NOx或PM排放量增加。
因此，本发明的一个目的是减少在从预混合燃烧变换到扩散燃烧 或从扩散燃烧变换到预混合燃烧的过程中的NOx或PM的排放。
为了实现上述目的，本发明提供这种柴油发动机的燃烧控制装 置，该柴油发动机执行燃油和吸入的气体的混合物的燃烧。该控制装 置包括这样的机构和传感器，该机构基于目标氧气浓度调节吸入的气 体的氧气浓度和基于目标氧气量调节吸入气体的氧气量，该传感器检 测发动机和可编程控制器的运行状态。
对控制器进行编程以基于发动机的运行状态相对于混合物的燃 烧选择扩散燃烧和预混合燃烧中的任一种燃烧，在选择扩散燃烧时基 于发动机的运行状态计算适合于扩散燃烧的目标氧气浓度和目标氧气 量，在选择预混合燃烧时基于发动机的运行状态计算适合于预混合燃 烧的目标氧气浓度和目标氧气量，以及控制调节机构以将目标氧气浓 度和目标氧气量立即变换到所计算的值。
本发明也提供这种发动机的控制方法，该发动机执行燃油和吸入 气体的混合物的燃烧并且包括这样的机构，该机构基于目标氧气浓度 调节吸入的气体的氧气浓度和基于目标氧气量调节吸入气体的氧气 量。
该方法包括检测发动机的运行状态，基于发动机的运行状态相对 于混合物燃烧选择预混合燃烧和扩散燃烧中的任一种燃烧，在选择扩 散燃烧时基于发动机的运行状态计算适合于扩散燃烧的目标氧气浓度 和目标氧气量，在选择预混合燃烧时基于发动机的运行状态计算适合 于预混合燃烧的目标氧气浓度和目标氧气量，以及控制调节机构以将 目标氧气浓度和目标氧气量立即变换到所计算的值。
在说明书的其余部分中阐述并在附图中示出本发明的细节以及 其它特征和优点。

附图1所示为根据本发明的柴油发动机的燃烧控制系统的示意 图。
附图2所示为描述柴油发动机的燃烧区间的附图。
附图3A-3D所示为描述在EGR阀开口和新鲜空气量之间的关系 和在喷嘴开口和新鲜空气量之间的关系的时序图。
附图4所示为描述具有燃烧控制系统的可编程控制器的函数的方 块图。
附图5所示为描述由控制器所执行的预混合燃烧标志设定程序的 流程图。
附图6所示为描述由控制器存储的燃烧区间确定映射图的特征的 附图。
附图7所示为由控制器所执行的计算目标过量空气系数Tlamb 的程序的流程图。
附图8所示为描述由控制器所存储的预混合燃烧的目标过量空气 系数映射图的特征的附图。
附图9所示为描述由控制器所存储的扩散燃烧的目标过量空气系 数映射图的特征的附图。
附图10所示为描述由控制器所执行的计算目标有效EGR率基本 值Eegr0的程序的流程图。
附图11所示为描述由控制器所存储的预混合燃烧的目标有效 EGR率基本值映射图的特征的附图。
附图12所示为描述由控制器所存储的扩散燃烧的目标有效EGR 率基本值映射图的特征的附图。
附图13所示为描述由控制器所执行的计算目标有效EGR率Eegr 的程序的流程图。
附图14所示为描述由控制器所执行的计算目标新鲜空气量Tqac 的程序的流程图。
附图15所示为描述由控制器所执行的计算目标质量EGR率 Megr的程序的流程图。
附图16所示为描述由控制器所执行的计算目标EGR量TQac的 程序的流程图。
附图17所示为描述由控制器所执行的计算再循环废气流速等效 值Cqe的程序的流程图。
附图18所示为描述由控制器所存储的再循环废气流量基本值映 射图的特征的附图。
附图19所示为描述由控制器所存储的流量校正值映射图的特征 的附图。
附图20所示为描述由控制器所执行的计算EGR阀开口面积 Aegr的程序的流程图。
附图21所示为描述由控制器所执行的计算目标喷嘴开度Mrav 的程序的流程图。
附图22所示为描述由控制器所存储的预混合燃烧的目标喷嘴开 度映射图的特征的附图。
附图23所示为描述由控制器所存储的扩散燃烧的目标喷嘴开度 映射图的特征的附图。
附图24所示为描述由控制器所执行的计算在汽缸中的过量空气 系数Rlamb的程序的流程图。
附图25所示为描述由控制器所执行的计算实际喷嘴开度Rvgt的 程序的流程图。
附图26所示为描述由控制器所执行的计算喷嘴开度反馈校正量 TRavfb的程序的流程图。
附图27所示为描述由控制器所存储的比例增益基本值 KPB_VGT的映射图的特征的附图。
附图28所示为描述由控制器所存储的水温校正系数KPW_VGT 的映射图的特征的附图。
附图29所示为描述由控制器所执行的计算EGR量反馈校正量 Kqec的程序的流程图。
附图30所示为描述由控制器所存储的比例增益基本值 KPB_EGR的映射图的特征的附图。
附图31所示为描述由控制器所存储的水温校正系数KPW_EGR 的映射图的特征的附图。
附图32所示为描述在控制器的控制下新鲜空气量和EGR率的变 化的附图。
附图33A-33F所示为描述在控制器的控制下EGR率和吸入空气 量的变化的时序图。
附图34A-34D所示为描述在预混合燃烧中的NOx和PM的排放 量和在扩散燃烧中的NOx和PM的排放量的附图。

参考附图1，柴油发动机1是一种如此构造的多缸柴油发动机： 由于执行低温预混合燃烧所以热释放模型是单级燃烧。这种柴油发动 机公开在由日本专利局在1999年出版的Tokkai Hei8-86251中。
柴油发动机1包括进气通道3和废气通道2。通过收集器3A和 进气歧管3B将进气通道3的进气输送到柴油发动机1的每个汽缸中。
涡轮增压器50的压缩器55和由节流阀执行装置61驱动的进气 阀60都安装在收集器3A的上游的进气通道3中。
在从进气通道3到每个汽缸的进气口中设置进气阀和旋涡控制 阀。当在低负载低转速下运行柴油发动机1时，旋涡控制阀关闭部分 通道并在流进柴油发动机1的燃烧室中的空气流中产生旋涡。
燃烧室包括较大直径的环形燃烧室。这个燃烧室是这样的：在该 燃烧室中相同直径的汽缸腔体形成在活塞上。国锥形部分形成在该腔 体的底部上。结果，减少了从腔体外部流进的旋涡的阻力，促进了空 气和燃油的混合。此外，由于腔体的形状，随着活塞的下降旋涡从腔 体的中心扩散到外部。
柴油发动机1包括共轨型燃油喷射机构10。燃油喷射机构10包 括连接到输送泵14的共轨16。将燃油直接喷射到相应的汽缸的喷嘴 17通过电磁阀连接到共轨16。根据从控制器41输入到相应的电磁阀 25中的信号控制每个喷嘴17的喷射时序和燃油喷射量。
从进气端口吸入的空气和从喷嘴17中喷射的燃油混合并在汽缸 中燃烧。由空气燃油混合物的燃烧所产生的废气排放到废气通道2中。 在废气通道2中的废气驱动涡轮增压器50的废气涡轮52，并通过催 化转化器62将它排放到大气中。在柴油发动机1工作在贫油空气燃油 比时催化转化器62捕获。氮的氧化物(NOx)，并在柴油发动机1工 作在富油空气燃油比时通过包含在废气中的碳氢化合物(HC)还原所 捕获的NOx。
涡轮增压器50包括废气涡轮52和根据废气涡轮52的旋转对在 进气通道3中的吸入新鲜空气进行增压的压缩器55。压缩器55设置 在进气通道3的中部，而进气通道3将由压缩器55所压缩的空气输送 到柴油发动机1中。在到废气涡轮52的入口中设置由压力传动装置 54所驱动的可变喷嘴53。
压力传动装置54包括根据信号压力驱动可变喷嘴53的薄膜传动 装置59和根据从控制器41所输入的信号产生信号压力的压力控制阀 56。
当柴油发动机1的转速较低时控制器41控制可变喷嘴53以减小 喷嘴开度。结果，引入到废气涡轮52中的废气的流速增加，以便达到 预定的增压压力。在另一方面，当柴油发动机1的转速较高时，控制 器41控制可变喷嘴53为完全打开，以便没有阻力地将废气引入到废 气涡轮52中。
当在柴油发动机1中燃烧空气燃料混合物时，形成有害的NOx。 NOx含量主要取决于燃烧温度，通过使燃烧温度较低可以抑制NOx的产生量。这种柴油发动机1通过废气再循环(EGR)降低了在燃烧 室中的氧气浓度，由此实现低温燃烧。为此，柴油发动机1包括废气 再循环(EGR)通道4，该废气再循环通道4连接废气涡轮52的上游 的排气通道2和收集器3A。废气再循环通道4具有薄膜型废气再循环 (EGR)阀6，该废气再循环阀6响应从负压控制阀5和冷却系统7 中提供的控制负压。
负压控制阀5响应从控制器41输入的能率信号产生负压，由此 通过废气再循环阀6改变废气再循环率(EGR率)。
例如，在柴油发动机1的低转速、低负载范围的情况下，废气再 循环率为最大值。随着柴油发动机1的转速和负载增加，EGR率降低。 在较高的负载的情况下，由于废气温度较高，如果执行大量的废气再 循环则进气温度升高。如果进气温度升高，则NOx将不再降低，喷射 燃油的点火延迟变得更短，则不可能实现预混合燃烧。因此，随着柴 油发动机1的转速和负载的增加废气再循环率逐级降低。
冷却系统7将部分发动机冷却水输送到在废气再循环通道4周围 的水套8中，冷却在废气再循环通道4中的再循环废气。水套8的冷 却水入口7A具有根据来自控制器41的信号调节冷却水再循环量的流 量控制阀9。
控制器41包括具有中央处理单元(CPU)的微处理器、随机存 取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和输入/输出接口(I/O接 口)。控制器41还可以包括许多微型计算机。
从加速器开度传感器33、曲柄角传感器34、水温传感器36和气 流表39中将与检测值所对应的信号输入到控制器41，该加速器开度 传感器33检测机车加速器踏板的开口Cl，曲柄角传感器34检测柴油 发动机1的转速Ne和曲柄角度，水温传感器36检测柴油发动机1的 冷却水温度Tw，气流表39检测压缩器55上游的进气通道3的吸入新 鲜空气流量。气流表39安装在进气阀60的上游的进气通道3中。
接着，参考附图2，控制器41使柴油发动机1在可执行预混合燃 烧的运行区间中执行预混合燃烧，并使它在不能执行预混合燃烧的运 行区间中执行扩散燃烧。
因此，根据运行状态分别设置预混合燃烧和扩散燃烧的最佳目标 过量空气系数和目标EGR率。在此，目标EGR率表示由汽缸所吸收 的气体的氧气浓度目标值，而目标EGR量或目标过量空气系数代表由 汽缸所吸收的气体的氧气量目标值。
关于设定目标值，参考附图34A-34D描述在前述两种柴油发动机 的燃烧类型中的NOx和PM的排放中的变化，这种变化通过本发明人 所实施的实验所证实。在这些附图中，横坐标是过量空气系数，纵坐 标是EGR率。
附图34A和附图34B所示为在预混合燃烧和扩散燃烧的过程中 的NOx排放的差别。在该附图中的曲线密度表明了NOx排放的变化 的幅值。
附图34C和34D所示为在预混合燃烧和扩散燃烧的过程中在PM 排放量的差值。
从附图34C中可以看出，在预混合燃烧的过程中，在EGR率中 的差值对PM排放量具有较大的影响。在另一方面，从附图34D中可 以看出，在扩散燃烧的过程中，在过量空气系数中的差值对PM排放 量具有较大的影响。
基于上述的分析，理想的是在预混合燃烧的过程中优先控制EGR 率，而在扩散燃烧的过程中优先控制过量空气系数。
控制器41确定当前的运行状态是等于预混合燃烧区间还是等于 扩散燃烧区间，根据所确定的结果设定目标过量空气系数和目标EGR 率，并基于所设定的值执行燃烧控制。
EGR阀6的开度和可变喷嘴53的开度都影响新鲜空气进气量。 然而，如附图3A-3D所示，由于可变喷嘴53的开度变化引起的吸气 量的变化比由EGR阀6的开度变化引起的新鲜空气进气量的变化的响 应更慢。
换句话说，在柴油发动机1的过渡运行状态中，如果在优先控制 过量空气系数的状态中通过调整可变喷嘴53来试图控制过量空气系 数，则在控制中产生延迟。因此，不仅在优先控制EGR率的状态中而 且在优先控制过量空气系数的状态中，通过调整EGR阀6的开度实现 这种控制。
参考附图5、附图7、附图10、附图13-17、附图20、附图21、 附图24-26的流程图以及附图4的方块图描述通过控制器41所执行的 前述的控制的细节。
附图4所示为概述这些流程图的处理的附图。在该附图中所示的 方块B1至B22代表作为虚拟单元的不同功能。这些单元在物理上并 不存在。方块标号B1-B22所示为处理步骤的序列。
首先，参考附图5，描述设置预混合燃烧标志F_MK的程序。
这种程序对应于在附图4中的方块B1，B4的功能，并且与柴油 发动机1的旋转同步地重复执行。
首先在步骤S1中，控制器41读取由曲柄角传感器34所检测的 转速Ne和柴油发动机1的目标燃油喷射量Qfc。
通过查询具有加速器踏板开度Cl和转速Ne作为参数的映射图计 算目标燃油喷射量Qfc。
在接下来的步骤S2中，基于发动机转速Ne和预混合燃烧区间的 上限燃油喷射量QfcMKH查询在附图6所示的特征的映射图并确定相 对于该发动机转速Ne的下限燃油喷射量QfcMKL。这种映射图事先 存储在控制器41中。
在后面的步骤S3中，确定目标燃油喷射量Qfc是否在由上限燃 油喷射量QfcMKH和下限燃油喷射量QfcMKL所确定的预混合燃烧 区间中。
在目标燃油喷射量Qfc位于该预混合燃烧区间中时，在步骤S4 中在将预混合燃烧标志F_MK设定为1之后，控制器41终止该程序。
在另一方面，在目标燃油喷射量Qfc并不在预混合燃烧区间中时， 在步骤S5中在将预混合燃烧标志F_MK复位到0之后，控制器41终 止该程序。
接着，参考附图7，描述计算目标过量空气系数Tlamb的程序。
与柴油发动机1的旋转同步地循环执行这个程序，这个程序对应 于附图4的方块B5。
首先，在步骤S11中，控制器41读取预混合燃烧标志F_MK。
在接下来的步骤S12中，确定预混合燃烧标志F_MK是否为1。 从附图5中可以清楚看出，预混合燃烧标志F_MK的值为1或0。
在预混合燃烧标志F_MK为1时，在步骤S13中，控制器41通 过发动机转速Ne和目标燃油喷射量Qfc查询具有在附图8中所示的 特征的映射图，并计算预混合燃烧的目标过量空气系数TlambMKB。 通过实验事先设置这个映射图并存储在控制器41中。
在后面的步骤S14中，将目标过量空气系数Tlamb设置为等于 预混合燃烧的目标过量空气系数TlambMKB，然后该程序终止。
在步骤S13中的标志F_MK不为1时，在步骤S15中，控制器 41通过发动机转速Ne和目标燃油喷射量Qfc查询具有在附图9中所 示的特征的映射图，并计算扩散燃烧的目标过量空气系数TlambDFB。 通过实验事先设置这个映射图并存储在控制器41中。
在后面的步骤S16中，将目标过量空气系数Tlamb设置为等于 扩散燃烧的目标过量空气系数TlambDFB，然后该程序终止。
在此，比较附图8和9，将预混合燃烧的目标过量空气系数 TlambMKB设置为小于扩散燃烧的目标过量空气系数TlambDFB的 值。将这些映射图所给出的目标过量空气系数设定为考虑在通过EGR 进行再循环废气中的氧气的值。
接着，参考附图10，描述计算目标有效EGR率基本值Eegr0的 程序。
这个程序与柴油发动机1的旋转同步地重复执行，并对应于附图 4的方块B6的功能。
首先，在步骤S21中，控制器41读取预混合燃烧标志F_MK。
在后面的步骤S22中，确定预混合燃烧标志F_MK是否为1。
在标志F_MK为1时，在步骤S23中，控制器41通过发动机转 速Ne和目标燃油喷射量Qfc查询具有在附图11中所示的特征的映射 图，并计算预混合燃烧的目标有效EGR率EegrMKB。
通过实验事先设置这个映射图并存储在控制器41中。
在后面的步骤S24中，将目标有效EGR率基本值Eegr0设置为 等于预混合燃烧的目标有效EGR率EegrMKB，然后该程序终止。
在步骤S22中的预混合燃烧标志F_MK不为1时，在步骤S15 中，控制器41通过发动机转速Ne和目标燃油喷射量Qfc查询具有在 附图12中所示的特征的映射图，并计算扩散燃烧的目标有效EGR率 EegrDFB。
通过实验事先设置这个映射图并存储在控制器41中。
在后面的步骤S26中，将目标有效EGR率基本值Eegr0设置为 等于扩散燃烧的目标有效EGR率EegrDFB，然后该程序终止。
通过除了氧气以外的再循环废气的质量和由汽缸所吸入的气体 的质量的比率表示考虑在再循环废气中所包含的氧气量的目标有效 EGR率EegrMKB、EegrDFB。
在此比较附图11和12，将预混合燃烧的目标有效EGR率 EegrMKB设置为大于扩散燃烧的目标有效EGR率EegrDFB的值。 这种区别反映了优先控制过量空气系数还是EGR率中的哪一种。即， 由于在预混合燃烧的过程中优先控制EGR率，因此将目标有效EGR 率EegrMKB设定为最佳的值。在另一方面，在扩散燃烧的过程中， 优先控制过量空气系数。为了在较短的时间内使过量空气系数与目标 值一致，需要应用某些过冲量将EGR率改变到原始目标值。考虑这种 差别设置目标有效EGR率EegrDFB，EegrDFB的映射图的特征。
接着参考附图13，描述计算目标有效EGR率Eegr的程序。
这个程序与柴油发动机1的旋转同步地重复执行，并对应于附图 4的方块B7的功能。
首先，在步骤S31中，控制器41读取预混合燃烧标志F_MK。
在后面的步骤S32中，确定预混合燃烧标志F_MK是否为1。
在预混合燃烧标志F MK为1时，在步骤S33中，控制器41通 过下式(1)计算加权平均效率Eegrd。
Eegrd＝Eegr0·Kin·Kvol+Eegrdn-1·(1-Kin·Kvol)    (1)
这里，Kin＝体积效率等效值，
Kvol＝(VE/NC)/VM，
VE＝柴油发动机1的排放量，
NC＝柴油发动机1的汽缸数量；
VM＝从收集器3A至进气阀的进气通道的体积，以及
Eegrdn-1＝在执行该程序直接之前的加权平均值Eegrd。
通过附图4的方块B2计算体积效率等效值Kin。
美国专利No.6,019,094公开了体积效率等效值Kin的计算，在此 以引用参考的方式将该专利的公开内容结合在本申请中。
在接下来的步骤S34中，通过将延迟校正加入到加权平均值 Eegrd由下式(2)计算目标有效EGR率Eegr。
Eegr＝Gkeegr·Eegr0-(Gkeegr-1)·Eegrd    (2)
这里，Gkeegr＝延迟校正增益。
在步骤S34中计算目标有效EGR率Eegr之后，控制器41终止 该程序。
在另一方面，在步骤S32中在预混合燃烧标志F_MK不为1时， 在步骤S35中控制器41将目标有效EGR率Eegr设置为等于目标有 效EGR率基本值Eegr0，并终止该程序。
通过这个程序所计算的预混合燃烧的目标有效EGR率Eegr是并 入了延迟校正的值，而由这个程序计算的扩散燃烧的目标有效EGR率 Eegr是没有并入延迟校正的值。
接着，参考附图14，描述计算目标新鲜空气量TQac的程序。
与柴油发动机1的旋转同步地重复执行这个程序，这个程序对应 于块B8的功能。
首先，在步骤S41中，控制器41读取目标过量空气系数Tlamb、 汽缸中的过量空气系数Rlambn-1、目标燃油喷射量Qfc和目标有效 EGR率Eegr。下文描述通过附图24的程序计算在汽缸中的过量空气 系数Rlambn-1。
在汽缸中的过量空气系数Rlambn-1中的n-1意味着在直接在先时 刻通过附图24的程序的执行所计算的值。
在后面的步骤S42中，通过下式(3)计算目标新鲜空气量TQac。 $\mathrm{TQac}=\frac{\mathrm{Tlamb}·\mathrm{Rlam}{b}_{n-1}·\mathrm{Qfc}·\mathrm{Blam}{b}_{n-1}}{\mathrm{Rlam}{b}_{n-1}+\mathrm{Eegr}·(\mathrm{Rlam}{b}_{n-1}-1)}----\left(3\right)$
这里，Blamb＝化学计量空气燃油比。
等式(3)是从下式(4)中推导出来的公式。
这里，Qac＝每汽缸吸入新鲜空气量，以及
Qec＝EGR量＝Qac·Eegr。
在过量空气系数大于1时，由汽缸所吸入的一部分新鲜空气与废 气混合并排放。
(Rlambn-1-1)/Rlambn-1是在再循环废气中的新鲜空气的比例。
如果方程(4)的有效过量空气系数由目标过量空气系数Tlamb 替代并解该方程得到吸入新鲜空气量Qac，则得到目标新鲜空气量 TQac的方程(3)。
在步骤S42中计算目标新鲜空气量TQac之后，控制器41终止 该程序。
通过这个程序，应用由附图13所计算的目标有效EGR率Eegr 计算目标新鲜空气量TQac。因此，在预混合燃烧期间所计算的目标新 鲜空气量TQac是加入了延迟校正的值，而在扩散燃烧期间所计算的 目标新鲜空气量TQac是没有加入延迟校正的值。
接着，参考附图15，描述计算目标质量EGR率Megr的程序。
与柴油发动机1的旋转同步地重复执行这个程序，这个程序对应 于块B9的功能。
首先，在步骤S51中，控制器41读取在汽缸中的过量空气系数 Rlambn-1、目标燃油喷射量Qfc和目标有效EGR率Eegr。如上文所 述，在汽缸中的过量空气系数Rlambn-1是在直接在先时刻通过附图24 的程序的执行所计算的值。
在后面的步骤S52中，通过下式(5)计算目标质量EGR率Megr。 $\mathrm{MEGR}=\frac{\mathrm{Qec}}{\mathrm{Qac}}=\frac{\mathrm{Eegr}}{\{1-\frac{({\mathrm{Rlamb}}_{n-1}-1)}{\mathrm{Rlam}{b}_{n-1}}\}}----\left(5\right)$
等式(5)是从关于由汽缸所吸收的气体的有效EGR率的下面的 方程式(6)中推导出来的公式。
在方程(6)中的 $(1-\frac{\mathrm{Rlam}{b}_{n-1}-1}{\mathrm{Rlam}{b}_{n-1}})$ 为在再循环的废气中的惰性气 体的比例。
如果将方程(6)的有效EGR率以目标有效EGR率Eegr替代得 到的方程和Megr＝Qec/Qac作为联立方程进行求解则得到方程(5)。
在步骤S52中计算目标质量EGR率Megr之后，控制器41终止 该程序。
接着，参考附图16，描述计算目标EGR量TQec的程序。
与柴油发动机1的旋转同步地重复执行这个程序，这个程序对应 于块B10的功能。
首先，在步骤S61中，控制器41通过下式(7)计算目标EGR 量基本值TQec0。
TQec0＝TQac·Megr                       (7)
在接下来的步骤S62中，读取预混合燃烧标志F_MK。
在后面的步骤S63中，确定预混合燃烧标志F_MK是否为1。
在预混合燃烧标志F_MK不为1时，在步骤S64中，控制器41 通过下式(8)计算加权平均值TQecd。
TQecd＝TQec0·Kin·Kvol+TQecdn-1·(1-Kin·Kvol)    (8)
这里，TQecdn-1＝在执行该程序时的直接在先时刻所计算的加权平 均值TQecd。
在后面的步骤S65中，通过将由下式(9)所进行延迟校正加入 到加权平均值TQecd中来计算目标EGR量TQec。
TQecd＝TQec0·Gkqec+TQecd·(1-Gkqec)          (9)
这里，Gkqec＝延迟校正增益。
通过将用于计算目标有效EGR率Eegr的方程(1)和(2)的概 念应用于目标EGR量TQec的计算中获得方程(8)和(9)。
在步骤S65中计算目标EGR量TQec之后，控制器41终止该程 序。
在另一方面，在步骤S63中在预混合燃烧标志F_MK为1时，在 将目标EGR量TQec设定为等于在步骤S66中的目标EGR量基本值 TQec0之后该控制器41终止该程序。
通过这个程序计算的扩散燃烧的目标EGR量TQec是加入了延 迟校正的值，而由这个程序计算的预混合燃烧的目标新鲜空气量TQac 是没有加入延迟校正的值。
然而，基于在上述的附图13的程序中所计算的目标有效EGR率 Eegr计算用于计算目标EGR量基本值TQec0的目标质量EGR率 Megr。因此，基于在其中加入了延迟校正的目标有效EGR率Eegr计 算用于预混合燃烧的目标EGR量基本值TQec0，而基于在其中没有 加入了延迟校正的目标有效EGR率Eegr计算用于扩散燃烧的目标 EGR量基本值TQec0。
然而，将应用到目标EGR量TQec的计算中的延迟校正增益 Gkqec设置为比应用到目标有效EGR率Eegr的计算中的延迟校正增 益Gkeegr更大的值。
因此，加入到用于扩散燃烧的目标EGR量TQec的延迟校正大 于加入到用于预混合燃烧的目标EGR量TQec的延迟校正。为什么将 在其中加入延迟校正的目标质量EGR率Megr用于预混合燃烧的目标 EGR量TQec的计算的原因在于，在由于操作EGR阀6中的延迟和 在EGR阀6的上游和下游上的压力差中的延迟在加速的过程中EGR 量变得过量。
接着，参考附图17，描述计算再循环的废气流速等效值Cqe的 程序。
在柴油发动机1的运行过程中以几十毫秒的间隔执行这个程序， 这个程序对应于块B11的功能。
在理论上，应用柴油发动机1的进气压力Pm、废气压力Pexh、 废气的比重ρ和EGR阀的开口截面面积Ave通过下式(10)可以计算 EGR流量。 $\mathrm{Cqe}=\sqrt{2·\rho ·(\mathrm{Pexh}-\mathrm{Pm})}----\left(10\right)$
然而，很难正确地测量废气压力Pexh，因此在此大致估计EGR 流量。
首先，在步骤S71中，控制器41读取目标EGR量TQec、收集 器入口新鲜空气量Qacn和实际喷嘴开度Rvgtn-1。
收集器入口新鲜空气量Qacn是在入口3A处的新鲜空气量并通 过附图4的块B3计算。
收集器入口新鲜空气量Qacn的计算方法公开在美国专利 No.6,019,094中，因此在此省略它的描述。
下文通过附图25的程序计算实际喷嘴开度Rvgtn-1。
附图25的程序对应于附图4的块B22，并且在附图17之后执行 它。
指定给实际喷嘴开度Rvgtn-1的n-1是指在直接在先时刻由附图 25的程序所计算的Rvgt的值。
在后面的步骤S72中，通过目标EGR量TQec查询具有在附图 18中所示的特征的映射图，计算流速基本值Cqe0。通过实验事先设 定这个映射图并存储在控制器41中。
在后面的步骤S73中，控制器41通过收集器入口新鲜空气量 Qacn和实际喷嘴开度Rvgtn-1查询具有在附图19中所示的特征的映射 图并计算再循环废气流量校正系数Kcqe。该再循环废气流量校正系数 Kcqe是显示废气量和实际喷嘴开度Rvgt对再循环的废气流量的影响 的值。在此，排放量基本等于收集器入口新鲜空气量Qacn。
附图19的映射图也是事先由实验设定并存储在控制器41中。
在后面的步骤S73中，控制器41将流速基本值Cqe0乘以再循环 废气流量校正系数Kcqe以计算再循环的废气流速等效值Cqe。在再循 环废气流速等效值Cqe的计算之后，控制器41终止该程序。
接着，参考附图29，描述计算EGR量的反馈校正量KQec的程 序。
这个程序对应于在附图4中的块14的功能，并在柴油发动机1 的运行过程中以几十毫秒的间隔执行。
将十分公知的比例/积分/微分控制(PID控制)应用于目标EGR 量的反馈控制。通过下式(11)表示PID控制的基本算法。 $u\left(t\right)=\mathrm{KP}·[e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{KI}}·\int e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{KD}·\frac{d\left\{e\left(t\right)\right\}}{\mathrm{dt}}]+u\left(t0\right)----\left(11\right)$
这里，u(t)＝校正量，
KP＝比例增益，
E(t)＝偏差，
K1＝积分时间常数，
KP·KD＝微分增益，
KD＝微分时间常数，以及
u(t0)＝初始值。
在这个程序中，方程(11)的每部分定义如下。
KP＝KP_EGR $\frac{1}{\mathrm{KI}}·\int e\left(t\right)\mathrm{dt}=I\_\mathrm{EGR}$
KI＝KI_EGR $\mathrm{KD}·\frac{d\left\{e\left(t\right)\right\}}{\mathrm{dt}}=D\_\mathrm{EGR}$
KD＝KD_EGR
首先，在步骤S131中，控制器41计算在目标新鲜空气量TQac 和收集器入口新鲜空气量Qacn之间的偏差DQac。
在后面步骤S132中，参考预定的映射图分别设定用于PID控制 的比例增益KP_EGR、积分时间常数KI_EGR和微分时间常数 KD_EGR。
附图30和31所示为计算比例增益KP_EGR的映射图的实例。
控制器41基于发动机转速Ne和目标燃油喷射量Qfc查询在附图 30中所示的特征的映射图，并计算比例增益基本值KPB_EGR。
接着，基于发动机冷却水温Tw查询在附图31中所示的特征的 映射图，并计算水温校正系数KPW_EGR。通过将比例增益基本值 KPB_EGR乘以水温校正系数KPW_EGR来计算比例增益KP_EGR。
通过实验事先设定这些映射图并存储在控制器41中。
通过将该基本值和通过查询存储在控制器41中的映射图所得的 水温校正系数相乘也可以计算积分时间常数KI_EGR和微分时间常数 KD_EGR。
在接下来的步骤S133中，通过下式(12)控制器41计算I_EGR。 $I\_\mathrm{EGR}=I\_\mathrm{EG}{R}_{n-1}+\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{KI}\_\mathrm{EGR}}\mathrm{DQac}----\left(12\right)$
这里，I_EGRn-1＝由直接在先时刻执行的程序计算的I_EGR。
在后面的步骤S134中，对I_VGT执行预定的限制处理。
在后面的步骤S135中，通过下面的等式(13)计算D_EGR。 $D\_\mathrm{EGR}=(\mathrm{DQac}-\mathrm{DQa}{c}_{n-1})·\frac{\mathrm{KD}\_\mathrm{EGR}}{\mathrm{dT}}----\left(13\right)$
这里，Dqacn-1＝由直接在先时刻执行的程序计算的偏差DQac。
在后面的步骤S136，通过下式(14)计算EGR量的反馈校正量 Kqec。
KQec＝KP_EGR·(DQac+I_EGR+D_EGR)+KQEC0#       (14)
这里，KQEC0#＝初始值＝0。
在这种计算之后，控制器41终止该程序。
接着，参考附图20，描述计算目标EGR阀开口面积Aegr的程 序。
这个程序对应于在附图4中的块B15的功能，并且在柴油发动机 1的运行过程中以几十毫秒的间隔执行。
首先，在步骤S81中，控制器41将反馈校正量Kqec加入目标 EGR量TQec中以计算最终目标EGR量TQecf。
在此，最终目标EGR量Tqecf是质量流量。
在后面的步骤S82中，通过将最终目标EGR量Tqecf除以再循 环的废气流速等效值Cqe计算目标EGR阀开口面积基本值Aegr0。
在后面的步骤S83中，由目标EGR阀开口面积基本值Aegr0通 过下式(15)计算目标EGR阀开口面积Aegr。方程(15)是基于文 丘里管模型的方程。 $\mathrm{Aegr}=\frac{\mathrm{Aegr}0}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{Aegr}0}{\mathrm{AEGRB}\#}\right)}^2}}----\left(15\right)$
这里，AEGRB#＝EGR通道4的代表性截面面积。
控制器41给在附图4的块B15A中的负压控制阀5输出以这种 方式所计算的对应于目标EGR阀开口面积Aegr的信号。
在步骤S83的计算之后，控制器41终止该程序。
接着，参考附图21，描述计算可变喷嘴53的目标喷嘴开度Mrav 的程序。
这个程序对应于在附图4中的块B17的功能，并且在柴油发动机 1的运行过程中以几十毫秒的间隔执行。
首先，在步骤S91中，控制器41读取目标废气流量TQexh和目 标EGR流量TQegr。
通过对在附图4的块B12中的目标新鲜空气量TQac执行单位换 算来获得目标废气流量TQexh。通过对在附图3的块B13中的目标 EGR基本值TQec0执行单位换算来获得目标EGR流量TQegr。
在后面的步骤S92中，控制器41读取预混合燃烧标志F_MK， 并在接下来的步骤S93中，确定预混合燃烧标志F_MK是否是1。
在预混合燃烧标志F_MK是1时，在步骤S94中，控制器41通 过目标废气流量TQexh和目标EGR流量TQegr查询具有在附图22 中所示的特征的映射图，并计算预混合燃烧的目标喷嘴开度 MravMK。这个映射图具有使预混合燃烧的过量空气系数和EGR率 最佳化的目的，并且通过实验事先设定并存储在控制器41中。
在后面的步骤S95中，将目标喷嘴开度Mrav设定为等于预混合 燃烧的目标喷嘴开度MravMK。在步骤S95的处理之后，控制器41 终止该程序。
在另一方面，在步骤S93中在预混合燃烧标志F_MK不是1时， 在步骤S96中，控制器41通过目标废气流量TQexh和目标EGR流量 TQegr查询具有在附图22中所示的特征的映射图，并计算扩散燃烧的 目标喷嘴开度MravDF。这个映射图的目的是优化扩散燃烧的过量空 气系数和EGR率，并且通过实验事先确定并存储在控制器41中。
在后面的步骤S97中，将目标喷嘴开度Mrav设定为等于扩散燃 烧的目标喷嘴开度MravDF。在步骤S97的处理之后，控制器41终止 该程序。
在可变喷嘴53的控制中，从可变喷嘴53的开度变化直到进气量 改变的响应受包括废气涡轮52或压缩器55的旋转响应延迟的气流响 应延迟和驱动可变喷嘴53的隔膜传动装置59的响应延迟的影响。隔 膜传动装置59的响应延迟是恒定的，与柴油发动机1的运行状态无关。
在附图4的块B18中，分别执行开环校正以补偿具有不同的特征 的上述两种类型的响应延迟。在块B18中，通过将与气流的响应延迟 相关的延迟校正加入到目标喷嘴开度Mrav中首先计算第一校正目标 喷嘴开度TRavff。
在另一方面，在块B16中，通过应用PID控制方法基于在目标 新鲜空气量TQac和收集器入口新鲜空气量Qacn之间的偏差DQac 计算喷嘴开度反馈校正量Travfb。
附图26所示为这种计算程序。在柴油发动机1的运行过程中以 几十毫秒的间隔重复执行这个程序。
通过前述的方程(11)式表示PID控制的基本算法。
在这个程序中，方程(11)式的每部分设定如下。
KP＝KP_VGT $\frac{1}{\mathrm{KI}}·\int e\left(t\right)\mathrm{dt}=I\_\mathrm{VGT}$
KI＝KI_VGT $\mathrm{KD}·\frac{d\left\{e\left(t\right)\right\}}{\mathrm{dt}}=D\_\mathrm{VGT}$
KD＝KD_VGT
首先，在步骤S121中，控制器41参考预定的映射图分别设定 KP_VGT，KI_VGT，KD_VGT。
附图27和28所示为计算比例增益KP_VGT的映射图的实例。 控制器41基于发动机转速Ne和目标燃油喷射量Qfc查询具有在附图 27中所示的特征的映射图，并且计算比例增益基本值KPB_VGT。
接着，基于发动机冷却水温Tw查询具有在附图28中所示的特 征的映射图，并计算水温校正系数KPW_VGT。通过将比例增益基本 值KPB_VGT乘以水温校正系数KPW_VGT来计算比例增益 KP_VGT。通过实验事先设定这些映射图并存储在控制器41中。
此外，将积分时间常数KI_VGT和微分时间常数KD_VGT分别 设定为如下所得到的值：通过查询存储在控制器41中的映射图计算基 本值和水温校正系数并将这些值相乘。
在后面的步骤S122中，控制器41通过下式(16)计算I_VGT。 $I\_\mathrm{VGT}=I\_\mathrm{VG}{T}_{n-1}+\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{DI}\_\mathrm{EGR}}·\mathrm{DQac}----\left(16\right)$
这里，I_VGTn-1＝通过在直接在先时刻所执行的程序计算的 I_VGT。
在后面的步骤S123中，对I_VGT执行预定的限制处理。
在后面的步骤S124中，通过下式(17)计算D_VGT。 $D\_\mathrm{VGT}=(\mathrm{DQac}-\mathrm{DQa}{c}_{n-1})·\frac{\mathrm{KD}\_\mathrm{VGT}}{\mathrm{dT}}----\left(17\right)$
这里，DQacn-1＝通过在直接在先时刻所执行的程序计算的偏差 DQac。
在后面的步骤S125中，通过下式(18)计算喷嘴开度反馈校正 量TRavfb。
TRavfb＝KP_VGT·(DQac+I_VGT+D_VGT)+TRV0#    (18)
这里，TRV0#＝初始值＝0。
在这种计算之后，控制器41终止该程序。
在块B18中，控制器41将这样计算的喷嘴开度反馈校正量 TRavfb加入到第一校正目标喷嘴开度TRavff，并将与薄膜传动装置 59的响应延迟相关的延迟校正加入到该结果中以计算第二校正目标喷 嘴开度TRavf。在块B19中，控制器41将对应于以这种方式计算的第 二校正目标喷嘴开度TRavf的信号输出到薄膜传动装置59中。
在实际的控制中，虽然薄膜传动装置59的滞后校正和与喷嘴开 度的非线性特征相关的校正也相加，但是由于他们不与本发明的目的 相关因此省略了对这些校正的详细描述。
接着，参考附图24，描述计算在汽缸中的前述的过量空气系数 Rlamb的程序。这个程序对应于在附图4中的块B20的功能并与柴油 发动机1的旋转同步地重复执行。
首先，在步骤S101中，控制器41读取吸入新鲜空气量Qac、目 标EGR量基本值的加权平均值TQecd的直接在先值TQecdn-1和目标 燃油喷射量Qfc。
在后面的步骤S102中，通过下式(19)计算过量空气系数Klamb。
Klamb＝Qac/Qfc·(Qfc·BLAMB#)    (19)
这里，KLAMB#＝化学计量空气燃油比。
在后面的步骤S103中通过下式(20)计算在汽缸中的过量空气 系数Rlamb。 $\mathrm{Rlamb}=\frac{\mathrm{Qac}+\mathrm{TQec}{d}_{n-1}·\frac{\mathrm{Klamb}-1}{\mathrm{Klamb}}}{\mathrm{Qfc}·\mathrm{BLAMBA}\#}----\left(20\right)$
在这种计算之后，控制器41终止该程序。
接着，参考附图25，描述计算实际喷嘴开度Rvgt的程序。
这个程序对应于在附图4中的块B22的功能，并在柴油发动机1 的运行过程中以几十毫秒的间隔执行。
首先，在步骤S111中，控制器41读取在块B18中所计算的第一 校正目标喷嘴开度TRavff。
在后面的步骤S112中，通过下式(21)计算实际喷嘴开度Rvgt。
Rvgt＝TRavff·TCVGT#+Rvgtn-1·(1-TCVGT#)    (21)
这里，TCVGT#＝时间常数等效值，和
Rvgtn-1＝由在直接在先时刻所执行的程序所计算的实际喷嘴开度 Rvgt。
等式(21)是基于这样的概念：实际喷嘴开度Rvgt相对于第一 校正目标喷嘴开度TRavff以一阶延迟变化。
由于控制器41实施的上述控制的结果，在预混合燃烧标志F_MK 为1时，基于预混合燃烧的过量空气系数和目标EGR率分别控制涡轮 增压器50的可变喷嘴53和EGR阀6的开口。在预混合燃烧标志F_MK 不为1时，基于扩散燃烧的过量空气系数和目标EGR率分别控制涡轮 增压器50的可变喷嘴53和EGR阀6的开口。
在预混合燃烧标志F_MK从1变化到0或从0变化到1时，过量 空气系数和目标EGR率也立即改变。
换句话说，不设置在预混合燃烧和扩散燃烧之间的过渡区间，而 是在预混合燃烧区间中施加对于预混合燃烧最佳的过量空气系数和 EGR率，在扩散燃烧区间中施加对于扩散燃烧最佳的过量空气系数和 EGR率。
因此，防止了在上述的已有技术的实例中在过渡区间中的NOx或PM的排放的增加。
接着，参考附图32，描述在预混合燃烧的过程中的新鲜空气量和 目标EGR率的变化和在扩散燃烧的过程中的新鲜空气量和目标EGR 率的变化。
在该附图中所示的两种曲线中的一条曲线表示在随可变喷嘴53 变化的EGR阀6的开口完全打开时在EGR率和新鲜空气量之间的关 系。
所示的两种曲线中的另一条曲线表示在随可变喷嘴53变化的 EGR阀6的开口部分打开时在EGR率和新鲜空气量之间的关系。
现在考虑这样的情况：在该附图中在柴油发动机1的过渡运行状 态下目标新鲜空气量和目标EGR率从点A变化到点B。
在柴油发动机1执行预混合燃烧时，首先通过执行前述的程序从 点A到点B2控制EGR率，然后从点B2到点B控制目标新鲜空气量。
在柴油发动机1执行扩散燃烧时，首先通过点A到点B1执行上 述上述程序来控制新鲜空气量。通过控制如上述的EGR阀6执行这种 控制。随后，从点B1到点B控制EGR率。
参考附图33A-33C，在预混合燃烧中，如附图33A所示，在柴油 发动机1的转速或负载增加时，如附图33B所示将EGR率控制到通 过操作EGR阀6的目标值。点B2对应于附图32的点B2。
此外，如上所述对输出到EGR阀6的信号进行预处理以使EGR 率快速地与目标值一致。
在另一方面，由于这种EGR阀6的控制结果，新鲜空气量处于 它小于如附图33C所示的目标值的状态。
在EGR率与目标值一致之后，由于EGR阀6和可变喷嘴53的 开度的控制，新鲜空气量逐渐增加到目标值而同时将EGR率保持在目 标值上。因此，EGR率和新鲜空气量都与在该附图中的点B处的目标 值一致。
参考附图33D-33E，在扩散燃烧中，在柴油发动机1的负载或转 速如附图33D增加时，通过如在附图33F中所示地操作EGR阀6将 新鲜空气量控制到目标值。点B1对应于附图32的点B1。
然而，EGR率未达目标值以使新鲜空气量与目标值一致。此外， 如上文所述对输出到EGR阀6的信号执行预处理以使新鲜空气量快速 地与目标值一致。因此，到EGR阀6的输出信号是进一步未达到EGR 率的实际变化的值。在新鲜空气量与目标值一致之后，由于EGR阀6 和可变喷嘴32的开度控制使EGR率增加到目标值，而同时将新鲜空 气量保持在目标值。从而使EGR率和新鲜空气量都与在该附图中的点 B处的目标值一致。
在此，新鲜空气量的控制等同于过量空气系数的控制。因此，在 预混合燃烧状态中通过优先控制EGR率和在扩散燃烧状态中通过优 先控制新鲜空气量可以相对于柴油发动机1的转速或负载的变化减少 在废气中的PM。
在此以引用参考的方式将T0kugan2001-131640(2001年4月17 日在日本申请)的内容结合在本申请中。
虽然通过参考本发明的一些实施例已经描述了本发明，但是本发 明并不限于上述的实施例。对于本领域的熟练人员来说根据上述的教 导可以对上文描述的实施例进行各种修改。
例如，根据上述的实施例给柴油发动机1提供具有可变喷嘴53 的涡轮增压器50，但是涡轮增压器50并不限于这种类型。还可以使 用能够改变废气涡轮的几何结构变化的任何可变几何结构的涡轮增压 器，比如包括改变涡轮的废气通道的横截面积的涡管或扩散管的涡轮 增压器。本发明还可以用于具有腰形闸阀的固定容量的涡轮增压器的 柴油发动机。
所要求的专有权的本发明的实施例定义如下：
工业应用领域
如上文所述，在改变柴油发动机的燃烧类型时将汽缸进气的氧气 量或氧气浓度直接控制到新的目标值。因此，抑制了由于燃烧类型的 变化引起的NOx和PM的排放的增加，并实现了柴油发动机的废气净 化的理想效果。