带有多个燃料喷射器的对置活塞发动机的燃料喷射策略

摘要

在对置活塞发动机中，两个或更多个燃料喷射器被安装到汽缸以用于直接侧喷射到该汽缸内。喷射器被控制以便在发动机运行的每个循环中喷射单一燃料脉冲或多个燃料脉冲，从而在不同的发动机转速和运行条件下启动燃烧。

说明书

背景技术

本公开涉及用于直接侧喷射的对置活塞发动机的燃料喷射策略。 特别地，本公开涉及配备多个喷射器的对置活塞汽缸中的燃料喷射。

有效燃烧是柴油发动机运行中固有的基本挑战。在传统柴油发动 机中通常是通过从在防火板(fire deck)上的中央位置直接地喷射燃料 到在活塞的端表面与该防火板之间限定的适当成形的燃烧室中来解决 该挑战。

在对置活塞式结构中，两个活塞冠部对冠部地布置在一个汽缸内， 在该汽缸中，它们在上止点(TDC)和下止点(BDC)位置之间相对 地移动。当这些活塞接近TDC时，在汽缸内这些活塞的端表面之间限 定了该燃烧室。因此，在对置活塞发动机中不可能将燃料喷射器安装 在面对活塞端表面的中央位置中。取而代之的是，燃料喷射器安装位 置通常位于汽缸的侧壁上、在活塞端表面的TDC位置之间。这导致直 接侧喷射配置，这是对置活塞发动机设计的特征。也就是说，燃料通 过该汽缸的侧壁被直接喷射到燃烧室内。

直接侧喷射的一个问题是喷射的燃料径向地或切向地行进到汽缸 内、横向于充气漩涡的轴线，这可以抑制空气/燃料混合并且致使不完 全和/或不均匀的燃烧。因此，期望的是改进直接侧喷射的对置活塞发 动机的燃料喷射能力。

发明内容

在一个方面，本公开涉及用于对置活塞发动机中改进直接侧喷射 的燃料喷射方法和系统，以便加强空气/燃料混合并且改进燃烧。

在另一方面，本公开涉及一种对置活塞发动机，该发动机包括至 少一个汽缸，该至少一个汽缸配备有用于直接侧喷射到该汽缸内的两 个或更多个燃料喷射器。控制每个喷射器，从而在发动机运行的每个 循环中喷射单一燃料脉冲或多个燃料脉冲以响应于变化的发动机转速 和运行条件。

在进一步的方面，本公开涉及从第一燃料喷射器和第二燃料喷射 器喷射燃料到对置活塞发动机的燃烧室内，该燃烧室当对置活塞接近 上止点位置时被限定在所述活塞的端表面之间，这样由该第一燃料喷 射器喷射的燃料包括主喷射在其后的至少一次引燃喷射，并且由该第 二燃料喷射器喷射的燃料包括主喷射在其后的至少一次引燃喷射。

附图说明

图1为带有单一燃料喷射器的对置活塞发动机汽缸的剖视图，该 燃料喷射器被安装用于直接侧喷射到在一对对置活塞的端表面之间的 汽缸孔空间内。

图2为带有多个燃料喷射器的对置活塞发动机汽缸的剖视图，所 述燃料喷射器被安装用于直接侧喷射到在一对对置活塞的端表面之间 的汽缸孔空间内。

图3为对置活塞发动机的优选燃料喷射系统的示意图。

图4为示出了图1的单一燃料喷射器构造的喷射器致动和喷射速 率的图表。

图5为示出了体现用于图2的多个燃料喷射器构造的第一控制策 略的喷射器致动和喷射速率的图表。

图6为示出了体现用于图2的多个燃料喷射器结构的第二控制策 略的喷射器致动和喷射速率的图表。

具体实施方式

图1示出了对置活塞发动机的汽缸，该汽缸是以剖面示出。该汽 缸10具有位于该汽缸的对应的末端附近的排气口12和进气口14。电 致动的燃料喷射器20具有喷嘴22，该喷嘴位于通过汽缸10的侧壁钻 取的孔洞24中。孔洞24位于孔位置26和27之间，所述孔位置对应 于设置在该汽缸孔内的一对对置活塞(未示出)的端表面的对应的TDC 位置。当活塞处于或接近其TDC位置时，燃料喷射器20被操作以将 燃料喷雾30喷射到在活塞端表面之间的汽缸孔空间中。

图2为带有多个电致动的燃料喷射器50的对置活塞发动机汽缸40 的剖视图，所述燃料喷射器50被安装用于直接侧喷射到在一对对置活 塞的端表面之间的汽缸孔空间中。每个燃料喷射器50具有喷嘴52，该 喷嘴位于通过汽缸50的侧壁钻取的孔洞54中。孔洞54位于多个孔位 置之间，所述孔位置对应于在设置在该汽缸孔内的一对对置活塞58和 59的端表面的对应的TDC位置。随着活塞58和59朝向TDC移动， 湍流移动的充气在其端表面之间被压缩。当活塞58和59位于或靠近 TDC时，燃料喷射器50中的一个或每个被操作以便在活塞端表面之间 的汽缸孔空间内将对应的燃料喷雾60喷射到压缩充气中。该燃料被混 合到压缩的、湍流的充气中并且由压缩产生的热量致使空气/燃料混合 物点燃。

在图3中以示意图形式示出了对置活塞发动机的燃料喷射系统。 燃料喷射系统100包括具有一个或多个汽缸的对置活塞发动机103。每 个汽缸都具有与图2的汽缸40的构造相对应的构造。因此，每个汽缸 40具有被设置用于在其中相对运动的一对对置活塞(未示出)以及在 活塞的TDC位置之间的多个燃料喷射器50。例如，每个汽缸都具有两 个燃料喷射器50。优选地，燃料从包括导轨/蓄积器机构的燃料源160 供给到燃料喷射器50，燃料从贮存器中泵送到该导轨/蓄积器机构。燃 料返回歧管162收集来自燃料喷射器50和燃料源的燃料以返回到贮存 器中。

发动机控制单元(ECU)162接收来自多个传感器(未示出)的数 据，这些传感器测量与发动机、变速器等的运行条件相关的参数值。 ECU162包括一种燃料喷射控制机构，该机构实施响应于从传感器获 得的测量的参数值的多个燃料喷射控制程序。这些控制程序致使产生 输出控制信号，该输出控制信号被耦合到电子多通道喷射器驱动器 165。响应于所述控制信号，该喷射器驱动器165在分开的专用通道上 产生驱动信号以操作燃料喷射器50。换句话说，喷射器驱动器165以 电子的方式使每个燃料喷射器50的运行能够独立于所有其他燃料喷射 器50。

优选地，每个燃料喷射器50包括操作该喷射器的电操作的致动器 (如螺线管)或者与该电操作的致动器相关联。优选地，致动器由喷 射器驱动器165产生的对应的驱动信号控制。例如，代表性的驱动信 号由脉冲宽度调制(PWM)波形167说明。每个此类波形具有将致动 器设定到第一状态的第一边沿168以及将该致动器从该第一状态重置 到第二状态的第二边沿169。优选地，该第一状态打开燃料喷射器50 的喷嘴，从而启动发出燃料脉冲60(也称为“喷射”)到汽缸40内； 而该第二状态关闭燃料喷射器50的喷嘴，终止喷射。可替换地，燃料 喷射系统100可以被装备成响应于其他类型和/或形状的驱动信号。

假设脉冲宽度调制波形用于操作燃料喷射器50，由燃料喷射器发 出的任意一次喷射的持续时间对应于该驱动脉冲的宽度：窄脉冲产生 持续时间短的喷射；宽脉冲产生持续时间较长的喷射。燃料喷射系统 100被设计为以包括一次或多次喷射的多种燃料喷射模式运行每个喷 射器。在第一运行模式中，燃料喷射器发出单一喷射到燃烧室内以启 动燃烧。在被称为“分段喷射”的第二运行模式中，燃料喷射器发出 两次或更多的喷射到燃烧室内以启动燃烧：至少一次相对窄的第一喷 射(被称为“引燃喷射”)之后是相对较长的第二喷射(被称为“主喷 射”)。该引燃喷射和主喷射由时间间隔分隔。为了产生具有明确限定 形状的以及精确定时的持续时间的分段喷射，燃料喷射系统100的运 行还被设计成观察在相继的驱动信号脉冲的相继边沿之间测量的最小 时间间隔(被称为“脉冲间间隙”或IPG)。不能保持该脉冲间间隙能 导致重叠喷射或喷射的燃料量的变化。

燃料喷射系统100进一步被设计成根据发动机运行条件的需要从 单一喷射转换到分段喷射以及从分段喷射转换到单一喷射。进一步地， 由于每个汽缸的多个独立控制的燃料喷射器，燃料喷射系统100的设 计使得能够根据发动机运行条件的需要而从每个汽缸运行单个燃料喷 射器转换到每个汽缸运行多个燃料喷射器，以及从每个汽缸运行多个 燃料喷射器转换到每个汽缸运行单个燃料喷射器。

每个汽缸带有单个喷射器的燃料喷射：参照图1和4，其中每个汽 缸都只具有单一燃料喷射器的对置活塞发动机被约束，因为需要特定 孔口区域以便在特定的发动机转速下在给定数量的曲柄角度内引入燃 料装填。这种限制能够对喷雾质量有害，并且会不利地限制可用的最 小引燃燃料。进一步地，因为必须保持IPG以确保先前喷射已经完成 以及螺线管内的剩磁已经衰变，所以由该螺线管致动的单一喷射器具 有多种限制。图4中示出了单一喷射器致动(驱动)信号曲线180和 燃料喷射速率曲线182。该图表示出了包括两次引燃喷射182p1，182p2 以及主喷射182m的分段喷射。第一致动脉冲180a1在1毫秒(msec) 开始，而大约0.5毫秒以后跟随的是引燃喷射182p1。在该第一引燃喷 射182p1结束之后，第二致动脉冲180a2在2毫秒处开始。第二致动 脉冲180a2的上升沿在第一致动脉冲180a1的下降沿之后约0.75毫秒 处发生。假设0.75毫秒为IPG。如果忽视了该IPG并且第二致动脉冲 180a2在第一喷射182p1结束之前开始，那么喷射的燃料量和第二引燃 喷射182p2的正时能够偏离预期值。这是由于第二引燃喷射182p2减 少喷射响应时间致使正时和数量的错误。显然地，由该IPG强加的最 小时间间隔限制了能够由单一喷射器在给定曲柄角度内应用的喷射次 数。

每个汽缸带有多个喷射器的燃料喷射：参照图2和5，对置活塞发 动机包括配备有被顺序地和/或同时地致动的多个喷射器的至少一个汽 缸。例如，根据图5，两个燃料喷射器50根据图5中所示的致动曲线 和喷射曲线运行。示出了存在的三次引燃喷射，两次(192p1和192p2) 来自于燃料喷射器50中的第一燃料喷射器，并且一次(193p)来自于 第二燃料喷射器。假定导致所述两次引燃喷射192p1和192p2的两个 致动脉冲190a1和190a2经受与图1的燃料喷射器相同的IPG(0.75毫 秒)。致动脉冲191a致使第三引燃喷射193p在两次引燃喷射190a1和 190a2之间发生，因此提供了在单个喷射器可以提供最多两次引燃喷射 的时间内发生的三次紧密成组的引燃喷射。这导致了在给定时间内的 最大喷射次数，N_max。例如，由以下给出了使用两个喷射器时的N_max： N_max＝N_1max+(N_1max-1)，其中N_1max为在最小时间间隔的约束下来自 一个燃料喷射器的最大喷射次数。通过额外的喷射器以及由多个燃料 喷射器提供的重叠喷射，在给定时间内可实现比用单一燃料喷射器可 以实现的更多次数的喷射。因为燃料喷射器被设置在该汽缸周边上的 不同的圆周位置，所以它们喷射到该燃烧室的不同的区域内，并且用 这种方法可获得的空气不是问题。主喷射192m+193m产生如图5中 示出的聚合的主喷射，这导致如由两个主致动脉冲190m和191m的对 准所指示出的两个喷射器50的基本同时致动。这样使进入该燃烧室的 喷射速率加倍并且使该聚合的主喷射的持续时间减半。

图6示出了使用多个喷射器以便依据速率成形(rate-shape)聚合 的主喷射的喷射量的示例。在图5中，喷射包括来自两个燃料喷射器 的交错的分段喷射，该喷射致使三次紧密成组的引燃喷射。引燃喷射 组之后是依据速率成形的聚合主喷射200m。如所示出的，首先致动第 二燃料喷射器以形成主喷射的第一部分200m1。在适当的延迟之后， 第一燃料喷射器还被致动，使得两个燃料喷射器同时引入燃料。如在 图6中明显的是，燃料在第一部分200m1期间以第一速率喷射，并且 该喷射速率在第二部分200m2中增大。喷射速率从而被“成形”。主致 动脉冲的相对移动和/或其持续时间的变化可产生聚合的主喷射中的不 同形状。依据速率成形的能力减少了预混峰值并且允许更顺畅的燃烧 以及减少排放。

在图6中，后喷射210被示出跟随聚合的主喷射200m。后喷射210 可以通过单独致动第一喷射器产生，从而提供用于后喷射的最小燃料 装填。如果希望的话，可以通过任一喷射器的多次致动或通过与针对 成组的引燃喷射描述的类似的两个喷射器的顺序致动来施加多次后喷 射。

应当明显的是，在具有位于同一汽缸内的多个电子控制的燃料喷 射器的对置活塞发动机中的直接侧喷射允许单一燃料喷射器不可获得 的多个自由度。喷射可为同时的，顺序的或交错的，从而提供间隔很 近的多次喷射以及速率成形。这些额外的自由度提供了增强的性能和 排放可能性。使用多个燃料喷射器允许喷射器喷嘴孔洞的尺寸相对于 喷雾特性被最优化，同时提供了能够增加可获得的孔洞的数量的灵活 性以允许快速引入燃料装填。相反，独立控制的燃料喷射器允许在低 燃料需求下减少孔洞的数量以延长喷射时间和使燃烧平稳。具有在给 定循环中致动单一喷射器或多个喷射器的能力允许在较低的量下使用 较高的导轨压力，从而提供了与可从具有高流动特性的单一喷射器获 得的相比更好的喷雾质量。此外，通过在围绕周边的不同位置处顺序 地致动多个喷射器，可以使不同的或类似的量的多次喷射在不同位置 被引入到汽缸内并且全权考虑所述喷射的正时。

尽管已经参照多个代表性实施例描述了用于对置活塞发动机的燃 料喷射策略，但是应当理解的是，可以进行不同的修改而不背离基本 原理。因此，对这些策略的专利保护仅由所附权利要求限定。