用于亚音速流的燃料喷射器增益补偿

摘要

一种用于机动车的往复活塞式内燃机的气态燃料直喷系统(10)，其包括：用于接收气态燃料的燃料箱(13)，燃料喷射器(20)，其由声波流校准并由电子控制单元(ECU)控制，所述电子控制单元(ECU)控制喷射器(20)打开的持续时间，以及发动机操作循环中喷射器(20)的打开和关闭的点。ECU从提供涉及发动机的操作情况的信息的各传感器接收输入信号和驱动命令，并确定燃料喷射器(20)两端的压差，以确定是否发生与穿过燃料喷射器的亚音速流对应的状态；和根据发生亚音速流状态时的压差操作燃料喷射器，以补偿该亚音速流状态。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机的气态燃料的直接喷射。

术语“直喷”指使用燃料喷射器将燃料直接喷射到内燃机的燃烧室内。

如这里使用的，术语“气态燃料”是指压缩气态燃料，比如压缩天然气 (CNG)和氢(H₂)，以及液化气态燃料，比如液化石油气(LPG)和液化 天然气(LNG)。

背景技术

下面关于背景技术的讨论仅旨在便于理解本发明。该讨论并非认可或承 认所提到的任何材料是如本申请的优选权日时的公知常识的部分。

对于内燃机，已知气态燃料具有某些优于液态燃料(比如汽油或柴油) 的优点，尤其是关于成本和产生的废气排放而言。由于这些优点，越来越趋 向于在内燃机中使用这样的燃料。

在某些应用中，特别是对于小型车辆的发动机，比如助力人力车、摩托 车和窄式开沟铲(scooter)，燃料系统利用气态燃料的蒸汽压力将气态燃料 输送到燃料喷射器并且随后将气态燃料从燃料喷射器输出到发动机，所述燃 料喷射器另外典型地是燃料输送喷射器。该布置就成本而言是有利的，因为 该布置使得不需要用于将气态燃料输送到燃料喷射器的燃料泵或其它输送 机构。

燃料喷射器然后计量喷射某一量的气态燃料到燃烧室内。输送的气态燃 料的量可以是喷射器的打开持续时间的函数。

气态燃料能够例如是储存在燃料箱中的LPG。典型地，LPG的一部分以 液态储存在燃料箱中，而LPG的气态部分存储在液态部分上方。燃料箱通 过燃料供给管线与燃料箱连接，燃料供给管线整合有压力调节器以调节输送 到燃料喷射器的气态燃料的供给压力。

燃料喷射器的操作由电控单元控制，电控单元能够控制燃料喷射器的打 开持续时间、燃料喷射器相对于发动机循环开始打开的时间、以及燃料喷射 器相对于发动机循环开始关闭的时间。电控单元从各种传感器获得输入信 号，并输出控制信号到某些发动机部件，其中所述传感器提供关于发动机的 操作状态以及驾驶员指令的信息。

燃料喷射器的操作通过控制装置来实现，以控制燃料喷射器两端的压 差，该压差是由燃料喷射器计量喷射的气态燃料的供给压力与相应的燃烧室 内的主要压力之间的差。该压差因此是喷射到燃烧室内的燃料的实际量的判 定因子。

燃料喷射器在打开时以节流方式操作并且构造为在整个气态燃料输送 过程中促进音速流。燃料喷射器的音速操作确保能够发生气态燃料到燃烧室 内的直接输送，而与其中的主要气体压力无关。如果燃料喷射器不在音速流 状态下操作，则下游燃烧室压力会折衷输送过程并影响到输送到燃烧室内的 净燃料量。

对于气态燃料的直接喷射，在发动机轻载状态下比如怠速时，通常会要 求延迟的燃料喷射定时。延迟喷射通常就实现点火时在火花塞周围的期望的 燃料分布是有利的。但是，在一些这样的情形中，例如可能在冷操作状态下， 尤其在发动机起动时，和/或低气态燃料水平时，燃料喷射器两端的压差可降 低至通过燃料喷射器将发生亚音速流的临界点。

另外，延迟喷射定时在通常操作状态下是有利的，汽缸压力的增大能够 有助于扩展燃料喷射器的操作范围或动态范围。但是，在一些状态中，输送 压力将降低，而产生通过燃料喷射器的亚音速流。

通过燃料喷射器的亚音速流将会具有改变燃料喷射器的燃料输出特性 的效果，该输出特性根据音速流状态进行校准。

基于该背景技术以及与其有关的问题和困难而研发了本发明。

发明内容

本发明旨在实现一种燃料喷射器，该燃料喷射器控制气态燃料到内燃机 的燃烧室内的直接喷射，并且能够操作以根据易于导致通过燃料喷射器的亚 音速流的状态的发生来补偿变化的输送压力和燃烧室压力。

根据本发明的第一方面，提供了发动机的气态燃料直喷系统的控制方 法，所述方法包括：判定燃料喷射器两端的压差，以确定是否发生与穿过燃 料喷射器的亚音速流对应的状态；和根据发生亚音速流状态时的压差操作燃 料喷射器，以补偿该亚音速流状态。

利用该布置，输送到发动机的燃烧室内的气态燃料的量是燃料喷射器的 打开持续时间的函数。

喷射的气态燃料可组成用于发动机操作循环的唯一燃料需求。或者，喷 射的气态燃料可由在发动机操作循环期间输送到燃烧室的其它燃料加量或 对该其它的燃料加量。

优选地，燃料喷射器的操作由控制装置比如电控单元(ECU)控制。具 体地，ECU判定燃料喷射器的操作参数。所述操作参数可例如包括燃料喷射 器的打开持续时间、燃料喷射器相对于发动机操作循环开始打开的时间、燃 料喷射器相对于发动机操作循环开始关闭的时间或者它们的任意组合。

优选地，ECU监测气态燃料的输送压力并且还监测标示相对于发动机循 环的燃烧室内主要压力的参数。这样，能够评估或者至少近似评估压差。

ECU可通过从与燃料喷射器联接的压力传感器接收的输入来监测气态 燃料的输送压力。压力传感器可测量与燃料喷射器连接的燃料管嘴中的气态 燃料的压力。

在往复活塞式内燃机的情况中，燃烧室压力作为汽缸内的活塞位置的函 数而变化。利用这样的布置，被监测以提供对于燃烧室内主要压力的标示的 参数可包括发动机的曲柄转角。

ECU可参考“查找”映射图或表来判定在发动机中的预设点或时刻时在 燃烧室内的典型主要压力。一般，ECU将接收标示上死点前(BTDC)曲柄 转角的信号。“查找”映射图或表将相应地具有BTDC曲柄转角的纵坐标， “查找”映射图或表的输出为预设的燃烧室压力。这样，对于任意特定的 BTDC曲柄转角，ECU将判定燃烧室内的期望主要压力。为此，能够判定压 差，并且如果该压差为反映了穿过燃料喷射器的亚音速流状态的水平，则 ECU将调节燃料喷射器的操作参数以补偿该亚音速流状态。具体地，燃料喷 射器的打开持续时间根据“查找”映射图或表被修改，其中对于打开持续时 间的调节根据燃料喷射器两端的压差来进行。

在更为精细的系统中，“查找”映射图或表将具有BTDC曲柄转角比驾 驶员指令或比节气门角(度)的纵坐标，或者BTDC曲柄转角比发动机歧管 压力(kPa绝对值)的纵坐标，而“查找”映射图或表的输出为预设的燃烧 室压力。如果能够判定发动机进气歧管内的进气温度，然后该进气温度能够 进一步用于修正对于某一BTDC曲柄转角的预设燃烧室压力，则能够更为精 确地判定燃烧室压力。

在另一布置中，能够通过使用已知的气流公式的计算而非通过监测标示 相对于发动机操作循环的燃烧室内主要压力的参数来判定亚音速流状态。

根据本发明的第二方面，提供了由根据本发明的第一方面的方法控制的 气态燃料直喷系统。

根据本发明的第三方面，提供了具有由根据本发明的第一方面的方法控 制的气态燃料直喷系统的发动机。

根据本发明的第四方面，提供了用于发动机的气态燃料直喷系统，该喷 射系统包括：判定燃料喷射器两端的压差以确定是否发生与穿过燃料喷射器 的亚音速流对应的状态的装置；和根据发生亚音速流状态时的压差操作燃料 喷射器以补偿该亚音速流状态的装置。

根据本发明的第五方面，提供了用于发动机的气态燃料直喷系统，该喷 射系统包括：用于将气态燃料直接喷射到燃烧室内的燃料喷射器；判定燃料 喷射器两端的压差以确定是否发生与穿过燃料喷射器的亚音速流对应的状 态的装置；和根据发生亚音速流状态时的压差操作燃料喷射器以补偿该亚音 速流状态的装置。

根据本发明的第六方面，提供了具有气态燃料直喷系统的发动机，该喷 射系统包括：判定燃料喷射器两端的压差以确定是否发生与穿过燃料喷射器 的亚音速流对应的状态的装置；和根据发生亚音速流状态时的压差操作燃料 喷射器以补偿该亚音速流状态的装置。

附图说明

参考下面对于如附图中示出的、本发明的一个具体实施方式的描述，将 更好地理解本发明，在图中：

图1是根据本实施方式的气态燃料直喷系统的示意图；和

图2是配置有根据本发明的气态燃料直喷系统的往复活塞式发动机的燃 烧室压力相对于曲柄转角的曲线图。

具体实施方式

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文中另外要求，词语“包括” 或者其不同时态的变形将被理解为表示指定的整数或整数组，但不排除任意 其它的整数或整数组。

附图中示出的实施方式涉及用于车辆(未示出)的往复活塞式内燃机的 气态燃料直喷燃料系统10，所述车辆可以典型地是小型车辆，比如助力人力 车、摩托车或者窄式开沟铲。

将关于液化气态燃料的使用描述本实施方式；具体地关于LPG的使用 进行描述。但是，应理解，关于本发明可使用任意适当的气态燃料。

燃料系统10包括用于接收气态燃料的燃料箱13，在本实施方式中气态 燃料包括LPG。LPG以液化状态储存在箱13中。尽管LGP以液化状态储存 在燃料箱13中，LGP的一部分以气态在燃料箱中存在于液化LPG上方。

LPG沿燃料供给管线17输送到燃料管路15。压力调节器19被整合在 燃料管线17中，以调节供给到燃料管路15的LPG的供给压力。

在本实施方式中，发动机为多缸发动机，而气态燃料通过与燃料管路15 连接的燃料喷射器20被直接喷射到在发动机的各个汽缸中限定的燃烧室内。

作为传统实践，燃料喷射器20构造为当打开时处于节流状态，即，燃 料喷射器20被校准用于音速流。

燃料喷射器20的操作由电控单元(未示出)控制。电控单元(ECU) 能够控制每个燃料喷射器20的操作参数，特别是喷射器20的打开持续时间， 以及喷射器20在发动机操作循环中打开和关闭的时间点。

ECU从各个传感器接收输入信号，这些信号提供了与发动机的操作状态 和驾驶员指令相关的信息。ECU输出各个控制信号，特别地包括与燃料喷射 器20的操作相关的控制信号。

向ECU提供信息的传感器包括用于感测燃料管路15内的蒸发态LPG 的压力的压力传感器18。换句话说，压力传感器18监测输送到燃料喷射器 20的蒸发态LPG的输送压力。

然后ECU能够相应地变化燃料喷射器20的操作参数，以计量用于控制 相应的发动机汽缸中的燃料混合物的空燃比而实现可接收的性能、燃烧稳定 性和排放控制所要求的喷射的气态燃料量。

ECU通过控制如下参数变化每个燃料喷射器20的操作参数：燃料喷射 器20的打开持续时间；燃料喷射器20相对于发动机操作循环开始打开的时 间；燃料喷射器20相对于发动机操作循环开始关闭的时间；或者它们的任 意组合。

在监测施加于每个燃料喷射器20的输送压力之外，ECU另外监测标示 相对于发动机操作循环的各个燃烧室中主要压力的参数。这样，能够评估或 至少近似评估每个燃料喷射器20两端的压差。

在本实施方式中，被监测的参数包括发动机操作循环内的BTDC曲柄转 角，因为其与发动机汽缸相关。

ECU参考“查找”映射图或表来判定发动机操作循环中预设时间时的燃 烧室内典型主要压力。具体地，ECU接收标示BTDC曲柄转角的信号。“查 找”映射图或表具有BTDC曲柄转角的纵坐标，“查找”映射图或表的输出 为预设燃烧室压力。这样，对于任意特别的BTDC曲柄转角，ECU能够判 定各个燃烧室内的期望主要压力。根据该信息以及如在燃料管路15中测量 的与蒸发态LPG的输送压力相关的信息，能够判定燃料喷射器20两端的压 差。

与不同BTDC曲柄转角相关的、预测的燃烧室压力通过关于发动机进行 的台架试验来判定。

与BTDC曲柄转角一样，“查找”映射图或表还可使用驾驶员指令或节 气门角(度)作为另外的纵坐标，或者使用发动机歧管压力(kPa绝对值)， 而“查找”映射图或表的输出类似地是预测的燃烧室压力。通过判定发动机 进气歧管内的进气温度，然后用该进气温度进一步修正对于某一BTDC曲柄 转角的预测燃烧室压力，则能够更为精确地预测燃烧室压力。

通常，在气态燃料输送中，每个燃料喷射器20以节流状态操作以促进 音速流。燃料喷射器20的音速操作确保能够将气态燃料直接输送到相应的 燃烧室中，而与燃烧室内的主要气体压力无关。如果燃料喷射器20不在音 速流状态下操作，则燃烧室的下游压力可损及燃料输送并且影响输送到燃烧 室的燃料的实际量(net amount)。

在发动机的操作过程中，ECU判定每个燃料喷射器20两端的压差。假 设燃料喷射器20两端的压差处于与音速流状态对应的水平，则不需要补救 动作。

在发动机的一些操作状态中，该压差可降低至反映亚音速流状态的水 平。一种可能发生该状态的情况是下面的情况：在(例如)冷操作状态，更 具体地在冷起动状态中发生的燃料管路15中的输送压力降低，在这些状态 中燃料箱蒸汽压力低和/或存在低的气态燃料水平状态而引起LPG的蒸汽压 力降低，最终导致穿过燃料喷射器20的亚音速流。另一种可能发生该状态 的情况是为燃料稳定性而要求延迟燃料喷射定时的情形；例如，在发动机轻 载比如怠速时。较晚的喷射定时典型地等价于在喷射点时存在更高的燃烧室 压力，由此使各个燃料喷射器20两端的压差降低，并且可能导致通过燃料 喷射器20的亚音速流。

图2是图示燃烧室压力相对于发动机汽缸的曲柄转角的曲线图。在图2 中，作为汽缸压力的燃烧室压力由标示为附图标记21的线描述。另外，与 燃料喷射压力对应的、燃料管路15中的输送压力由标示为附图标记23的线 描述。在所示的布置中，在由线23描述的燃料喷射压力与由线21描述的燃 烧室压力之间的压差促进了在由附图标记25和27标示的虚线所示的两个曲 柄转角之间的带中发生的亚音速流状态。

应注意到，还能够通过计算来判定对于不同燃料喷射压力的其中发生亚 音速流状态的带。例如，在图2中所示的图示中，通过这样的计算判定线29， 并且线29与线23的交点判定了其中发生亚音速流的带的起点，具体地由虚 线25标示。由此将明显的是，例如对于更高的燃料喷射压力，其中发生亚 音速流的带在图2中将向右移动，因为线23(标示燃料喷射压力)将由此在 沿线29和线21(标示汽缸压力)的更高点处与线29和线21相交。即，对 于更高的燃料喷射压力，亚音速流带移动以更接近发动机操作循环中的 TDC，而对于更低的燃料喷射压力则反之。

在检测到各个燃料喷射器20两端的压差处于反映亚音速流状态的水平 时，ECU调节燃料喷射器20的操作参数，以补偿该亚音速流状态。一般地， ECU将改变燃料喷射器20的打开持续时间，以能够输送适当量的气态燃料， 从而实现期望水平的燃料稳定性。

更具体地，根据“查找”映射图或表来修正燃料喷射器20的打开持续 时间，对于打开持续时间的调节根据燃料喷射器20两端的压差来进行；即， 在亚音速区域中，压差越低，则燃料喷射器20的打开持续时间越被延长。 改变燃料喷射器20的打开持续时间的目的在于保持相同的输送到发动机汽 缸的“目标量燃料”(即，如果压差标示了音速流，则燃料喷射器的打开持 续时间可以是Y毫秒，而当压差标示亚音速流时，则燃料喷射器的打开持续 时间将需要是＞Y毫秒)。期望的“查找”映射图或表对于主要状态延长喷射 持续时间，以保持相同量的燃料流(并且因此保持燃烧室内的目标空燃比)。

而且，在喷射过程中可能发生音速流与亚音速流之间的转变。在这样的 情况中，在“查找”映射图或表中参考的值可通过在该具体时间时的燃料喷 射器20的脉宽的中点处的值来判定。

根据前述内容，明显地，本实施方式提供了较简单而仍有效的、用以补 偿燃料喷射器中发生的亚音速流状态的布置，所述燃料喷射器布置成将气态 燃料直接喷射到发动机汽缸内。本实施方式相对于发动机汽缸的曲柄转角对 燃烧室压力建模，从而ECU能够在每个喷射过程中估计燃烧室中的主要压 力而不要求进行具体的计算(该计算将需要显著的处理能力)。校准工作能 够典型地通过台架试验进行，由此将发动机操作期间的ECU要求降低成仅 仅参考“查找”映射图或表。

应理解，本发明的范围不局限于所述的实施方式的范围。

尽管已经以LPG作为气态燃料描述了本实施方式，应理解，本发明可 应用于任意其它的液化气态燃料，所述流体气态燃料包括液化天然气 (LNG)，以及压缩气体燃料比如压缩天然气(CNG)和氢(H₂)。

另外，在所述的实施方式中，LPG组成发动机的整个加装燃料需求；即， 仅使用LPG为燃烧过程加装燃料。在其它实施方式中，LPG(或者其它气态 燃料)可对在发动机操作循环中输送到燃烧室的其它燃料加量或被其它燃料 加量。所述其它的燃料将典型地通过单独的输送过程输送。在通过直喷过程 输送其它燃料的情况中，其可通过单独的燃料喷射器输送。

另外，尽管已经就通过建模(而不要求在每个喷射过程中执行具体的计 算)对燃烧室中的主要压力进行评估描述了本实施方式，应理解，其中在每 个喷射过程中测量参数并进行具体计算来判定实际的燃烧室压力的布置在 本发明的范围内。