在柴油发动机中，为了降低包含在排放气体中的NOx及燃烧 时的噪音，过去所采用的方法是使燃料喷射时刻延迟。然而，如果 这样延迟燃料喷射时刻，就会增加黑烟的排放量。因此，现在通过 采用实施高压喷射后提高燃料雾化的方法，来减少黑烟的排放量。 但是，在这种情况下，随着燃烧温度的上升，NOx的排放量也将增 加。
如上所述，对于柴油发动机而言，抑制NOx的产生和降低黑 烟的排放量两者之间的关系是相互制约的关系，要同时改善两者很 困难。因此，在主喷射之前，通过采用在压缩上止点前20～60°曲 柄角(CA)时刻另外进行引燃喷射(pilot injection)(预喷射)的 方法，实现在燃烧室内形成稀混合气后，降低NOx的生成和烟气 (PM)的排放量。
例如，当燃料喷射系统为共轨时，通过发动机控制器分别控制 高压喷嘴的驱动正时(喷射时刻)、电磁感应线圈的通电时间(燃 料喷射量)，从而实现主喷射以及主喷射之前的引燃喷射。
此外，当燃料喷射系统为分配式喷油泵时，在柱塞与喷嘴之间 的喷射管路上设置有开闭电磁阀，在引燃喷射(预喷射)和主喷射 的各时刻，分别对开闭电磁阀线圈的通电时间(燃料喷射量)进行 开闭控制，从而实现主喷射以及主喷射之前的引燃喷射。
在日本特开平10-141124号公报中公开了一种燃料喷射装置。 该燃料喷射装置利用共轨，如图8所示，进行进气行程初期的第一 预喷射Js、作为压缩行程中期或后期的第二预喷射的引燃喷射Jp、 以及压缩上止点附近的主喷射Jm。
这里，随着压缩行程的进行，形成第一预喷射Js的稀混合气(因 热容量大而未点燃)。在该状态下，因为完成引燃喷射Jp，引燃喷 射燃料将迅速汽化，之后，有一部分将产生自燃。在其后的主喷射 Jm时，主喷射燃料在通过两个预喷射升温的燃烧室中迅速汽化燃 烧，而由两个预喷射形成的稀混合气也将很快燃烧。此时，通过调 整第一预喷射量Js、引燃喷射量Jp、以及主喷射量Jm，可以抑制 NOx的产生、降低烟气(PM)的排放量。
另外，在日本特开2003-97328号公报中，披露了一种采用共轨 的燃料喷射装置，如图8所示，在排气上止点附近(BTDC 320°～340°) 进行喷射燃料的排气上止点喷射。而且，为了防止在气门重叠期间 进行排气上止点喷射，利用可变气门配气正时机构使进气阀的阀门 开启时间延迟，从而缩短重叠期间，防止因排气上止点喷射的喷射 燃料残留在气缸内并在下一循环中燃烧。此外，当到达气缸的燃料 到达量超过允许范围时，将副喷射分为多次进行喷射，从而防止气 缸泛油(bore flushing)。
然而，对于该现有技术，必须具备可变气门配气正时机构，而 且其构造将变得复杂，成本也随之增加，这是所不希望的。此外， 为了防止气缸泛油，需要将副喷射分为多次进行。
所以，对于进行主喷射以及该主喷射之前的预喷射、在压缩行 程形成稀混合气的预混合压缩点火方式的柴油发动机，本发明人等 为了阐明NOx的生成量、烟气(PM)排放量的增减特性，使预喷 射时刻提前、延迟后，对各工作状态中的特性进行了研究。
这里，当使预喷射时刻提前、延迟时，假设平均有效压力为 0.6MPa、主喷射时刻为上止点前0.6°，在2000rpm、EGR接通情况 下运转多缸柴油发动机。在此，根据预喷射时刻的变化测量NOx生成量、烟气(PM)排放量，并以其测量值的特性作为一个例子 在图5、图6中示出。
在此，当预喷射时刻在排气行程期间时，在进气阀打开时刻的 前后，NOx的生成量减少；当预喷射时刻为进气上止点TDC之后 的进气行程时，在上止点后到排气阀关闭位置附近的范围内，NOx将多少会增加一些，而在其后将会降低。但是，当在进气上止点TDC 前后范围内使预喷射时刻变化时，NOx生成量的变化就比较小。
另一方面，当预喷射时刻在排气行程中、进气阀打开时刻的前 后，根据预喷射时刻的变化，烟气(PM)生成量大幅增减变化； 当预喷射时刻为上止点TDC后的进气行程中时，在排气阀关闭位 置近旁更靠后的范围内激增。
这样，其研究结果是，当在进气上止点TDC前后范围使预喷 射时刻变化时，烟气(PM)的生成量在进气行程的排气阀关闭位 置近旁更靠后的范围内激增，而在排气行程中在进气阀打开时刻之 前将大幅降低。
因此这样推测，对于进行主喷射以及预喷射的预混合压缩点燃 方式的柴油发动机，为了同时降低NOx的生成量和烟气(PM)的 排放量，在TOP范围Einj进行预喷射是有效的。TOP范围Einj是 指排气行程时进气阀打开时刻之前的给定范围。
此外，对于在日本特开平10-141124号公报中公开的预混合压 缩点燃方式的柴油发动机，虽然通过各自以给定喷射量进行第一预 喷射Ts、引燃喷射Tp以及主喷射Tm，来降低NOx的生成量、烟 气(PM)的排放量。但是，第一预喷射Ts是在进气行程初期及排 气阀关闭之后(图8中符号P1位置)就进行的，如果考虑图6的 特性，有可能无法充分降低本来的烟气(PM)排放量。
另外，在日本特开2003-97328号公报中公开的预混合压缩点燃 方式的柴油发动机中，尽管抑制异常燃烧的发生和输出扭矩的变 动，并抑制气缸泛油的发生。但是，由于在进气行程进行排气上止 点喷射，到主喷射之前的时间短，因此，无法获得充分的预混合时 间。而且，还因为必须具备可变气门配气正时机构，从而导致结构 的复杂化。此外，当到达气缸的燃料到达量多时，分多次进行喷射， 因此燃料喷射时刻的控制变得复杂。与此同时，用一次预喷射可以 喷射的燃料喷射量变少。其结果，存在着在燃烧室内无法形成充分 的预混合气的隐患。此外，由于燃料只是分多次到达气缸，而到达 气缸的燃料的总量不变，解决大规模的气缸泛油又导致发生小规模 的气缸泛油，这样无法从根本上防止气缸泛油的发生。

本发明是鉴于上述现有技术存在的问题而做出的。其目的在于 提供一种柴油发动机，该柴油发动机在排气行程范围进行预喷射后 并不立即点火，而是得到充分预混合时间，由此可以促进预混合燃 烧，以及，可以同时降低主喷射燃料在已升温的燃烧室内迅速汽化 并燃烧后的NOx的生成量和烟气(PM)的排放量。
根据本发明的第一个方面，提供了一种柴油发动机，其特征在 于，对于装有燃料喷射装置和控制器的柴油发动机，控制器控制喷 射，使得在排气行程后期、进气阀打开之前进行预喷射。燃料喷射 装置用于在燃烧室内将高压燃料在压缩上止点附近进行主喷射，并 且在该主喷射之前先进行预喷射；控制器用于根据工作状态控制喷 射装置。
根据本发明的第二个方面，提供了一种根据第一个方面的柴油 发动机，其特征在于，该柴油发动机活塞顶部具有空腔，其中控制 器控制喷射，使得在排气行程后期、进气阀打开前、且燃料全部存 在于该空腔内部时进行预喷射。
根据本发明的第三个方面，提供了一种根据第二个方面的柴油 发动机，其特征在于，预喷射是由一次燃料喷射完成的。
根据本发明的第四个方面，提供了一种根据第三个方面的柴油 发动机，其特征在于，该柴油发动机具有共轨，其中控制器通过调 整共轨内的燃料压力来进行喷射控制，使得在排气行程后期、进气 阀打开前、且燃料全部存在于空腔内部的时刻进行预喷射。
根据本发明的第五个方面，提供了一种根据第二个方面和第四 个方面的柴油发动机，其特征在于，控制器控制喷射，使得在燃料 全部到达空腔内壁的时刻进行预喷射。
根据本发明的第一个方面，通过在这样的喷射开始时刻进行预 喷射，从而将预喷射燃料喷射到活塞顶部的空腔内壁或顶壁面上。 此时，由于在气缸内温度较低的状态下提供燃料，并且不立即点火 以得到充分预混合时间，促进预混合燃烧，因此主喷射燃料在已升 温的燃烧室内迅速汽化并燃烧，从而将减少NOx的生成量和烟气 (PM)的排出量。而且，由于通过预喷射燃料完成充分预混合、 促进预混合燃烧，因此，在主喷射期间的预混合燃烧范围将减小并 直至扩散燃烧(diffusion combustion)，从而在减少了NOx的生成 的同时，也减少了PM的排出量，也即改善了PM与NOx的二者相 互制约的关系。
根据本发明的第二个方面，在根据第一个方面的发明中，在喷 射开始时刻进行预喷射，喷射预喷射燃料，使得燃料全部存在活塞 顶部的空腔内部。此时，因为是在气缸内温度比较低的状态下提供 燃料，并且不立即点火，能够获得充分的预混合时间，促进预混合 燃烧(均匀燃烧)。由于主喷射燃料在已升温的燃烧室内迅速汽化 并燃烧，从而降低烟气(PM)的排出量。而且，由于预喷射燃料 全部在空腔内部，因此，可以切实防止喷射燃料附着到气缸内壁上， 并可抑制机油稀释(oil dilution)。
根据本发明的第三个方面，可以简化进行根据本发明第二个方 面的柴油发动机中燃料喷射控制。
根据本发明的第四个方面，在根据本发明第三个方面的柴油发 动机中，即使在高速时喷射量大的条件下，也可以在排气行程后期、 进气阀打开前、并且燃料全部存在于空腔内部时进行预喷射。
根据本发明的第五个方面，在根据本发明第二个方面或第四个 方面的柴油发动机中，在燃料全部到达空腔的内壁时进行预喷射， 因此可以更进一步切实防止喷射燃料附着到气缸的内壁上。
附图说明
本发明的特征以及其它目的与优点，将结合附图详细说明如 下。在全部附图中，相同或相似的部件将使用相同的标号，其中：
图1表示根据本发明的一个实施例的柴油发动机的整体示意 图；
图2表示图1所示的柴油发动机燃料供给控制方法的性能模块 图；
图3表示图1所示的柴油发动机燃料喷射装置的预喷射以及主 喷射工作特性曲线图；
图4表示图1所示的柴油发动机燃料喷射装置的在预喷射范围 中的工作特性曲线图；
图5表示在柴油发动机的主喷射之前的预喷射的改变喷射时刻 的NOx排放量的特性图；
图6表示在柴油发动机的主喷射之前的预喷射的改变喷射时刻 的烟气排放量的特性图；
图7表示图1所示的柴油发动机的由ECU进行控制的燃料供 给控制程序的流程图；以及
图8表示现有技术的柴油发动机的ECU控制的预喷射范围、 引燃喷射、以及主喷射Jm的工作特性曲线图。

图1表示根据本发明的一个实施例的柴油发动机1的整体结构 和安装在该柴油发动机(以下简称发动机)1的主机体2上的燃料 喷射装置M。
发动机1的主机体2包括：气缸体3、在其上方与其结合在一 起的气缸盖4、图中未示出的气缸盖罩、油底壳等。发动机1是具 有多个相同结构的气缸的多气缸发动机。但是，在此为了避免重复 说明，以一个气缸为主进行说明。在此，在气缸体3中，其内部的 气缸5内装有可上下滑动的活塞6，在气缸5、活塞6、气缸盖4的 下部空间形成了容积可变的燃烧室7。
在气缸盖4的下部，面向燃烧室7装有燃料喷射阀8，而且， 在与燃料喷射阀8不干涉的位置上形成由进气阀9打开、关闭的进 气口11、由排气阀12打开、关闭的排气口13。进气阀9、排气阀 12是根据发动机曲轴的旋转，通过图中未示出的气门系统打开、关 闭。
进气口11在进气阀9打开时将来自进气管IN一侧的空气导入 燃烧室7。另外，可以配置调整吸入空气量Qa的节气门17。形成 排气口13，使得在排气阀12打开时将燃料燃烧室7的废气从具有 图中未示出的排气净化装置的排气管EX一侧排出。此外，排气净 化装置可以采用串接配备有氧化催化剂和微粒过滤器的常用的连 续再生式排气净化装置等。
在进气口11与排气口13之间的中间部，装有具备EGR(废气 再循环)控制阀19的EGR管21，由此构成使排气口13的废气回 流到进气口11后抑制NOx排放量的废气再循环装置(EGR装置) 16。
形成活塞6，使得在其顶部将空腔22设计成凹陷状，当活塞到 达上止点附近时，面向空腔内壁221，可以将来自于燃料喷射阀8 的多个喷嘴的燃料微粒雾化。
所以，设定燃料喷射阀8的多个喷嘴的燃料微粒喷射角β和空 腔22的开口形状，如图3、4所示，使得曲柄转角范围在Ein范围 时，喷射燃料可以全部到达空腔22的内壁，在偏离该曲柄转角范 围Ein的上止点隔离范围Eout时，喷射燃料的一部分或者全部到达 空腔22以外的位置。
如图1所示，燃料喷射阀8、各气缸共用的共轨24、以及燃料 泵25构成了燃料喷射装置M的主要部分。在此，燃料箱38的燃 料通过燃料供给管18以及燃料泵25提供给共轨24。提供给共轨 24的燃料通过设置用于各气缸的各喷射管23提供给燃料喷射阀8。 在共轨24上安装了用于检测内部燃料压力的燃料压力传感器26， 将该燃料压力传感器26的输出信号(油轨压力)Pr输出到发动机 控制单元(以下简称为ECU)27。ECU 27的油轨压力控制电路控 制燃料泵25的喷射量，从而使共轨24内的油轨压力Pr达到目标燃 料压力。
此外，图1虽然示出了第一气缸的燃料喷射阀8以及其燃料供 给系统，但是其它气缸也具有同样结构的燃料喷射阀以及其燃料供 给系统，这些各个电磁执行机构也各自与ECU 27连接。
ECU 27是由数字计算机构成，包括通过双向总线28相互连接 的ROM(只读存储器)29、RAM(随机存储器)31、CPU(微处 理器)32、输入端子33、以及输出端子34，这里，还具有作为燃 料供给控制装置的功能。
将负荷传感器(例如，加速器开度传感器)37连接到车辆的加 速器踏板35上。负荷传感器生成与加速器踏板35的踏入量(加速 器开度)θa成比例的输出电压。负荷传感器37的输出电压通过图 中未示出的AD转换器输入至输入端子33。此外，曲柄转角传感器 39连接在输入端子33上。例如，图中未表示的曲轴每旋转30°时， 曲柄转角传感器生成输出脉冲δθ(发动机旋转次数信号)。而且， 在曲柄转角传感器39上并列设置了气缸识别装置42，由此，输出 多气缸发动机的各个气缸的或者特定气缸的识别信号δc。另一方 面，输出端子34分别通过喷射阀驱动电路D2(参见图2)连接到 燃料喷射阀8、通过泵驱动电路D1(参见图2)连接到燃料泵25， 并且通过图中未示出的驱动电路连接到EGR控制阀19。
ECU 27通过曲柄转角传感器39、负荷传感器37、以及燃料压 力传感器26读入各检测信号，从而控制燃料喷射阀8、燃料泵25 以及EGR控制阀19等。
所以，ECU 27作为燃料供给控制装置发挥作用，具有如图2 所示的各种功能。
即，燃料供给控制装置读入发动机转速Ne、作为发动机负荷 的加速器开度θa、和油轨压力Pr，驱动喷射量运算部A1、油轨压 力运算部A2、和喷射时刻运算部A3。
燃料供给控制装置的喷射量运算部A1是根据图mp1计算主喷 射量Qm以及预喷射量Qs。该喷射量图mp1将基于发动机转速Ne 和加速器开度θa的发动机的整个工作范围划分成预定数量的范围 eq，在各划分工作范围内，设定优化主喷射量Qm以及预喷射量 Qs。
燃料供给控制装置的油轨压力运算部A2是根据油轨压力图 mp2计算目标油轨压力Pro。该油轨压力图mp2将喷射量Qf(＝ Qm+Qs)划分为三个大、中、少量，并以此作为参数，设定相当 于发动机转速Ne的油轨压力Pro。将油轨压力Pro输入到泵驱动电 路D1，以此控制燃料泵25的排出量，使共轨24内的油轨压力Pr 达到目标油轨压力Pro。
此外，喷射量运算部A1将来自油轨压力运算部A2的目标油 轨压力Pro分为大、中、小三个压力范围，即分为小于等于Pra、 小于等于Prb(＞Pra)、小于等于Prc(＞Prb)。在此，在每个划分的 油轨压力Pro的范围内，都具有图mp3a～mp3c(参见图2)，用于计 算与主喷射量Qm以及预喷射量Qs相对应的主喷射期间Tm以及 预喷射期间Ts(参见图3)。喷射量运算部A1求出对应于划分的油 轨压力Pro范围的图mp3a～mp3c，根据该图计算出最佳主喷射期间 Tm以及预喷射期间Ts。将这些主喷射期间Tm以及预喷射期间Ts 输入到喷射阀驱动电路D2的喷射期间控制部。
燃料供给控制装置的喷射时刻运算部A3根据图mp4计算主喷 射时刻tm以及预喷射时刻ts。在此，喷射时刻图mp4将基于发动 机转速Ne和加速器开度θa的发动机的整个工作范围划分为预定数 量的范围et，可为各划分工作范围设定最佳主喷射时刻tm以及预 喷射时刻ts。
此外，喷射时刻运算部A3将计算得出的主喷射时刻tm以及预 喷射时刻ts输入喷射阀驱动电路D2的喷射时刻控制部。
在此，设定主喷射时刻tm，具有在高转速、高负荷范围使点火 较为提前，以及，在中速、中负荷范围以及低速、低负荷范围使点 火较为延迟的特性。
另一方面，设定预喷射时刻ts，使得在排气行程后期(进气上 止点前)的进气阀打开位置前tintop(参见图4)、而且是燃料能够 全部到达空腔22内壁的时刻的曲柄转角范围Ein(参见图3、4)内 进行预喷射。
此时，虽然设定预喷射时刻tsb，使得在燃料可以全部到达空 腔22内壁的时刻的曲柄转角范围Ein内进行预喷射，但是，只要确 实可以基本上防止预喷射的燃料微粒飞散并附着在气缸内壁部，并 抑制机油稀释即可。因此，对于一部分燃料微粒飞散到活塞顶部的 空腔22的周围边缘部分(参见图1)附近的工作范围，由于燃料微 粒并未到达气缸内壁部，所以，即使燃料未全部到达空腔22内壁 也可以。即，如果是燃料微粒存在于空腔22内部的状态就可以， 从这一点看，可以扩大在提前设定预喷射时刻ts时的允许幅度。
此外，虽然从预喷射时刻ts开始在给定喷射期间Ts进行预喷 射，但是，为了防止产生该给定喷射期间Ts从进气阀打开位置前 tintop移入延迟一侧(图3、4的右侧)的工作范围，预先设定预喷 射时刻tsb充分提前。
即，在图5、6所示的Einj的期间内开始燃料喷射，且结束燃 料喷射。
当驱动这样的发动机时，ECU 27的燃料供给控制装置执行图7 所示的燃料供给控制流程。
ECU 27驱动根据图中未示出的主流程抑制NOx排放量的废气 再循环装置(EGR装置)16，还执行其它的所熟知的发动机控制， 其中途到达图7的燃料供给控制流程的步骤s1。在步骤s1中，读 入发动机转速Ne、作为发动机负荷的加速器开度θa、以及其它的 图中未示出的发动机工作信息。在步骤s2中，求出相应于发动机转 速Ne以及加速器开度θa的发动机工作范围eq(参见图2的mp1)， 计算出对应于该发动机工作范围eq的主喷射量Qm以及预喷射量 Qs。在步骤s3中，将主喷射量Qm以及预喷射量Qs的相加值作为 喷射量Qf(＝Qm+Qs)计算。然后，计算该喷射量Qf相当于在油 轨压力图mp2中被分为三个的大、中、小量中哪个喷射量范围，从 而计算出对应于所计算出的喷射量范围的特性曲线(在图mp2中， 记为大、中、小)和相应于发动机转速Ne的目标值的油轨压力Pro。
到达步骤s4时，计算所得到的目标值的油轨压力Pro是否在三 个大(大于等于Prc)、中(Prc＞Prb＞Pra)、小(小于等于Pra)压力 范围中的任一压力范围。然后，选择出对应于油轨压力范围的油轨 压力图mp3a～mp3c2(参见图2)中的一个，利用选择的油轨压力 图，各自计算与主喷射量Qm以及预喷射量Qs对应的主喷射期间 Tm以及预喷射期间Ts。
到达步骤s5时，求出对应于发动机转速Ne以及加速器开度θa 的发动机工作范围et，计算出相应于发动机工作范围et的主喷射时 刻tm以及预喷射时刻ts。
之后，在步骤s6中，将主喷射期间Tm以及预喷射期间Ts输 入至喷射阀驱动电路D2的喷射期间控制部d2-1，将主喷射时刻tm 以及预喷射时刻ts输入至喷射时刻控制部d2-2。由此，喷射阀驱动 电路D2对识别信号δc以及输出脉冲δθ(单位曲柄转角信号)进 行计数，从预喷射时刻ts开始执行预喷射期间Ts的预喷射Js，从 主喷射时刻tm开始执行主喷射期间Tm的主喷射Jm。
此外，在步骤s7中，将计算出的目标值油轨压力Pro输入至泵 驱动电路D1。由此，泵驱动电路D1控制驱动燃料泵25，使得现 有的油轨压力Prn与目标值Pro一致。
由此，预喷射可以在排气行程后期(进气上止点前)、且在进 气阀打开位置前tintop(参见图4)、且在燃料可全部到达空腔22 内壁的时刻的曲柄转角范围Einj(参见图5、6)控制燃料喷射。
此时，预喷射Js的燃料微粒因为是在气缸内温度相对较低的状 态，因此并不立即点火，而是能得到充分的预混合时间，从而促进 预混合燃烧(均匀燃烧)。由于主喷射Jm的燃料在已升温的燃烧室 7内迅速汽化并燃烧，从而降低了NOx和烟气(PM)的生成量。
此外，因为预喷射燃料全部到达空腔22内壁，因此可切实防 止喷射燃料附着到气缸5侧内壁，可切实抑制机油稀释。
另外，因为通过预喷射Js燃料完成了充分的预混合，促进了预 混合燃烧。因此在主喷射期间的预混合燃烧范围相对减少并导致扩 散燃烧，因此既降低了NOx又降低了PM，即，改善了PM与NOx二者间相互制约的关系。
如上所述，尽管只是在主喷射Jm之前的排气行程中进行预喷 射Js，根据情况，也可以在预喷射Js后、主喷射Jm之前先进行引 燃喷射Jp(参见图3的双点划线)来实现降低NOx；或者也可以在 主喷射Jm之后的给定曲柄转角位置进行后喷射Ja(参见图3的双 点划线)。通过这些方法，达到进一步降低NOx和烟气(PM)的生 成量。
如上所述，是根据发动机工作范围et设定工作范围主喷射时刻 tm和预喷射时刻ts。此外，通过将根据工作范围et延迟设定主喷 射时刻tm，与在排气行程后期、进气阀打开位置前tintop设定预喷 射时刻ts进行组合，可以更进一步降低NOx。
如上所述，排气管EX一侧装有图中未示出的排气净化装置， 该排气净化装置也可以选择为还原型NOx催化剂。而且，在排气 行程后期进行预喷射Js时，通过调整预喷射时刻ts和预喷射期间 Ts，还可以使其一部分未燃烧HC排出，将该未燃烧的HC作为可 选择的还原型NOx催化剂的还原剂来利用，还原处理过滤器的 NOx。
如上所述，是以柴油发动机是预混合压缩点火方式的柴油发动 机、燃料喷射阀具有多个喷嘴的形式进行说明的，但是本发明同样 适用于采用单一喷嘴的燃料喷射阀的柴油发动机。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但显 然，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围 的前提下，可以对本发明作出各种更改和变化。因此，本发明的 各种更改、变化由所附的权利要求书及其等同物的内容涵盖。