專利名稱：內(nèi)燃機(jī)及其控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用直接缸內(nèi)噴射(DI)的燃料噴射系統(tǒng)的火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)，尤其是涉及噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)和雙流體噴射系統(tǒng)，通常稱為空氣輔助噴射(AADI)系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及該內(nèi)燃機(jī)的控制，尤其是涉及利用AADI汽油燃料噴射系統(tǒng)的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
直噴(DI)發(fā)動(dòng)機(jī)通過直接噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸(即燃燒室)內(nèi)的燃料而工作，與普通燃料噴射(FI)發(fā)動(dòng)機(jī)(也稱為歧管噴射或PFI發(fā)動(dòng)機(jī))不同，在普通燃料噴射發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料噴入緊接在燃燒室進(jìn)氣閥后面的進(jìn)氣歧管內(nèi)，以便使該燃料汽化。
“高壓直噴”(HPDI)燃料系統(tǒng)通常是這樣，即在該“高壓直噴”燃料系統(tǒng)中，噴射的流體是單獨(dú)的燃料，噴射在高壓下(通常50至120巴)進(jìn)行。這些系統(tǒng)與所謂的“空氣(或氣體)輔助直噴”(AADI)燃料系統(tǒng)不同，在該“空氣(或氣體)輔助直噴”系統(tǒng)中，燃料通過計(jì)量進(jìn)入通常為恒壓的傳送噴射器的混合室中，以便與空氣混合。該“雙流體”再以較低壓力(通常6至8巴)噴入氣缸燃燒室中。
通常，對于DI發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料噴射或傳送裝置穿過氣缸蓋透入燃燒室。具有穿過氣缸蓋透入燃燒室且燃料傳送方向相對于燃燒室軸線為大致軸向方向的噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以稱為中心直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。具有從側(cè)部透入燃燒室，以便使燃料流以大致徑向方向傳送的噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)通常稱為側(cè)向直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。
燃燒室中的燃料噴射器出口相對于燃料點(diǎn)火源(例如火花塞)的位置以及所用的燃料噴射系統(tǒng)的類型(HPDI或AADI)影響對特定進(jìn)料傳送機(jī)構(gòu)的選擇，以便保證使燃料與通過進(jìn)氣口供給的燃燒空氣合適混合，并保證燃料-空氣混合物在燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火。
附

圖1以高度簡化和示意的方式表示了在四沖程內(nèi)燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)5的氣缸中的三種不同的進(jìn)料(即燃料或燃料-空氣混合物)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞在15處界定了內(nèi)部燃燒室20。為了清楚，圖1中省略了進(jìn)口閥和出口閥，但是對于四沖程閥氣缸蓋的類型，該進(jìn)口閥和出口閥在氣缸蓋10內(nèi)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)和它們從燃燒室20看時(shí)的位置是公知的，并在圖6中示出。應(yīng)當(dāng)知道，火花塞30布置成有靠近氣缸10的中心軸線的點(diǎn)火間隙。由25表示的直接燃料噴射器在不同位置，即成為軸線噴射或側(cè)向噴射發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。
在“噴霧引導(dǎo)”(直噴)燃燒系統(tǒng)中，噴射器通常布置成將燃料噴霧引向火花塞間隙，這樣，對將燃料傳送給火花塞間隙的輔助機(jī)構(gòu)的依賴減至最小。在圖1中，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是中心噴霧引導(dǎo)類型。另一方面，所謂的“壁引導(dǎo)”燃燒系統(tǒng)用于通過輔助機(jī)構(gòu)將噴射的燃料傳送給火花塞間隙，例如通過噴射的燃料與活塞的碗狀部分和/或氣缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)相互作用。在所謂的“進(jìn)料運(yùn)動(dòng)或空氣引導(dǎo)”系統(tǒng)中，由進(jìn)氣口進(jìn)入燃燒室的空氣的運(yùn)動(dòng)用于通過渦旋和/或翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)將燃料朝點(diǎn)火區(qū)域的所述傳送。
進(jìn)料引導(dǎo)和壁引導(dǎo)傳送方法都導(dǎo)致燃料有較長的準(zhǔn)備時(shí)間，以便產(chǎn)生汽化進(jìn)料。這是單獨(dú)燃料噴射系統(tǒng)的典型情況，與AADI噴射系統(tǒng)不同。較長準(zhǔn)備時(shí)間對于HPDI系統(tǒng)也尤其重要，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，噴射流體只是燃料，需要在氣缸內(nèi)產(chǎn)生燃料-空氣“云”，即汽化的進(jìn)料。
現(xiàn)代汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)通常試圖在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生非均勻的燃料分布。該非均勻分布通常稱為分層進(jìn)料，意思是在特定負(fù)載狀態(tài)下，通常在燃燒室的一個(gè)區(qū)域有著比燃燒室其它區(qū)域更大的燃料濃度。適于這樣工作的發(fā)動(dòng)機(jī)通常也稱為分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)。分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)理論上沒有均質(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣燃料比限制(例如，歧管噴射發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的均質(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī))，在該均質(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)中，在所有負(fù)載狀態(tài)下點(diǎn)火之前，都將在整個(gè)燃燒室中獲得空氣和燃料的均勻混合物。相反，典型的分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)在低速和低負(fù)載狀態(tài)下以分層進(jìn)料方式工作，而在高速和較高負(fù)載狀態(tài)下以均質(zhì)進(jìn)料方式工作。
為了通過中心噴射燃料傳送系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生分層進(jìn)料，噴射裝置通常為在燃燒循環(huán)中將燃料噴霧噴射到燃燒室中的正時(shí)遲于需要產(chǎn)生均質(zhì)進(jìn)料時(shí)的噴射正時(shí)。通過在循環(huán)中更晚進(jìn)行噴射，燃料噴霧在燃燒室內(nèi)與吸入空氣混合的時(shí)間有限，導(dǎo)致空氣和燃料的分層進(jìn)料。另一方面，通過在燃燒循環(huán)中相對較早地進(jìn)行噴射，可以產(chǎn)生均質(zhì)進(jìn)料，這樣，由噴射裝置噴射的燃料噴霧有足夠的時(shí)間與吸入空氣混合，從而在燃燒室內(nèi)形成空氣和燃料(即汽化燃料)的均勻混合物。
如上所述，直噴(DI)發(fā)動(dòng)機(jī)的附屬設(shè)備包括“噴霧引導(dǎo)”直噴燃料燃燒系統(tǒng)。在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴射裝置出口布置成使得燃料噴霧流出，以便透入燃燒室內(nèi)靠近點(diǎn)火裝置的位置處，該點(diǎn)火裝置通常為火花塞。噴霧引導(dǎo)直噴燃料燃燒系統(tǒng)可以是中心噴射類型。因此，當(dāng)中心噴射噴霧引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生分層進(jìn)料時(shí)，該分層進(jìn)料通?？梢栽趶奈挥谥行牡膰娚溲b置噴出的噴霧經(jīng)過點(diǎn)火裝置時(shí)由該點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃。通常，點(diǎn)火的時(shí)間定在噴霧噴射的尾段，這樣，當(dāng)發(fā)生點(diǎn)火時(shí)，噴射裝置的出口關(guān)閉。也就是，噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)并不會通過利用輔助裝置而將燃料噴霧從噴射裝置傳送給點(diǎn)火裝置，就象“壁引導(dǎo)”和“進(jìn)料運(yùn)動(dòng)/空氣引導(dǎo)”系統(tǒng)的通常情況。因此，點(diǎn)火在由噴射裝置停止傳送燃料噴霧之后立刻進(jìn)行。不過，單流體噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)的兩個(gè)主要問題是火花塞的使用壽命和陡峭的空氣/燃料比梯度導(dǎo)致燃燒的穩(wěn)定性較差。這些缺點(diǎn)大致可通過AADI燃燒系統(tǒng)避免，該AADI燃燒系統(tǒng)能夠用于噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)。不過，即使采用AADI噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)，也發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)出氣中的排放水平顯示噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)還可能使燃料中的烴產(chǎn)生不完全和/或部分燃燒。因此，由于日益嚴(yán)格的排放規(guī)定，需要減小發(fā)動(dòng)機(jī)外排放，以避免采用昂貴或不經(jīng)濟(jì)的催化劑方法。還需要通過改進(jìn)燃燒提高燃料經(jīng)濟(jì)性。
通常，分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗優(yōu)于均質(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)。不過，當(dāng)考慮整個(gè)燃燒室，分層進(jìn)料為貧油空氣燃料比時(shí)，通常還發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)工作點(diǎn)，分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化氮(NOx)排放水平高于相當(dāng)?shù)木|(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，通常認(rèn)為噴霧引導(dǎo)直噴燃料系統(tǒng)以分層方式工作有進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)外排放的可能。
分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)通常在稱為“噴油提前”的控制方法下工作，在該“燃料優(yōu)先(fuel-led)”的控制方法中，傳送給燃燒室的燃料的量與提高進(jìn)氣歧管傳送給燃燒室的空氣的量無關(guān)。這使得發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和負(fù)載直接與傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料量成比例。相反，在普通均質(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)中，可以傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的量由閥的角度規(guī)定，因此由流入燃燒室的氣流規(guī)定。因此，這樣的控制方法稱為“空氣優(yōu)先(air-led)”控制方法。
通常，“燃料優(yōu)先”控制方法向燃燒室提供足夠的燃料，這樣，該燃燒室總體看具有貧油的空氣和燃料混合物。不過，當(dāng)燃料位于燃燒室的特定區(qū)域時(shí)，通常該區(qū)域自身可點(diǎn)火，因此，在均質(zhì)進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)中過度貧油的空氣燃料混合物的點(diǎn)火和燃燒的某些問題可以減小，盡管并不很顯著或不能消除。
考慮到多種影響高效燃燒的變量和上述不同類型的噴射和燃燒系統(tǒng)，由于它們在發(fā)動(dòng)機(jī)工作/負(fù)載的某些區(qū)域有不同的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的選擇仍然不清楚。對于HPDI和AADI系統(tǒng)，繼續(xù)對壁或進(jìn)料運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)以及噴射或噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。近來的研究例如Niefer.HG等的“The DIGasoline EngineQuo Vadis-where Does the road lead？”，Vienna MotorSymposium，1999；以及Fraidl，GK等的“Gasoline Direct Injection-TheLow Fuel Consumption for EUR04”，Vienna Motor Symposium，1993都認(rèn)為噴霧引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)可能是直噴汽車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中最有潛力的。不過，后兩篇文獻(xiàn)也涉及排放控制的某些領(lǐng)域，如上所述。通過簡單地交叉引用，這兩篇文獻(xiàn)被本文參引。
本發(fā)明考慮了進(jìn)一步改進(jìn)直噴式火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)的要求，尤其是進(jìn)一步改進(jìn)具有提升閥類型的進(jìn)口閥和出口閥的汽油四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，該汽油四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)采用噴霧引導(dǎo)燃料噴射系統(tǒng)，尤其是AADI噴霧引導(dǎo)燃料噴射系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及這樣的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠影響分層進(jìn)料在噴霧引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)的氣缸燃燒室中的運(yùn)動(dòng)和/或容積(containment)，從而確實(shí)影響四沖程、火花點(diǎn)火、分層工作的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗和排放水平。
優(yōu)選是，終止于進(jìn)氣口的進(jìn)氣道布置成在緊接著提升閥頭部之后產(chǎn)生這樣的氣流圖形，該氣流圖形使所述進(jìn)氣產(chǎn)生較低的、與主氣流運(yùn)動(dòng)相反的缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該提升閥能夠可選擇地關(guān)閉所述孔。
優(yōu)選是，所述進(jìn)氣道設(shè)置成通過避免在緊靠進(jìn)氣口閥座的上游附近形成小曲率半徑的進(jìn)氣道，從而提供進(jìn)氣的所述較低缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，否則該小曲率半徑的進(jìn)氣道將有利于在從所述進(jìn)氣口送入燃燒室的燃燒室空氣中產(chǎn)生氣流矢量，該氣流矢量將引起所述進(jìn)氣的缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。人們相信，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)型發(fā)動(dòng)機(jī)中，相對于氣缸軸線基本成徑向方向的氣流矢量將明顯有助于使氣缸內(nèi)的氣流產(chǎn)生這樣的翻轉(zhuǎn)。經(jīng)過閥座進(jìn)入燃燒室的氣流將受到影響，以致于在經(jīng)過提升閥頭部的背面后產(chǎn)生更均勻分布的軸向氣流，該提升閥調(diào)節(jié)流過進(jìn)氣口的氣流。
進(jìn)氣的如此低的缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)將獲得靜態(tài)氣缸或靜態(tài)燃燒室。
優(yōu)選是，該燃料噴射器布置為噴霧引導(dǎo)、中心噴射的直接燃料噴射器。
有利的是，所述燃料傳送噴射器用于將夾帶于氣體中的燃料傳送給燃燒室，例如氣體輔助直噴燃料傳送系統(tǒng)。夾帶在所述氣體中的燃料在所述燃燒室中為分層的混合物。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)布置成通過空氣輔助類型的噴霧引導(dǎo)直噴燃料傳送系統(tǒng)工作。
尤其是，進(jìn)氣的較低缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)適于四沖程內(nèi)燃機(jī)的分層工作，因?yàn)樵撦^低缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)減小了夾帶于噴射空氣中的燃料分層進(jìn)料和吸入空氣之間的混合程度。燃料與吸入空氣之間的混合可能使得燃燒室內(nèi)區(qū)域中的燃料太過貧油，以至于不能點(diǎn)燃，導(dǎo)致更高的烴排放。
這樣，采用本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)更低的排放和更好的燃燒穩(wěn)定性。
還驚奇地發(fā)現(xiàn)，在背離由H.G.Niefer等和H.Enres等提出的前述模式時(shí)，即當(dāng)在采用了噴霧引導(dǎo)、中心噴射類型的直接缸內(nèi)燃料噴射系統(tǒng)的火花點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)中提供有“低翻轉(zhuǎn)”進(jìn)氣口/進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)時(shí)，將明顯優(yōu)于“高”翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)。而且，本發(fā)明的燃燒能夠采用相對延遲的點(diǎn)火時(shí)間窗口，這提高了燃燒過程的熱效率(即燃料消耗更少)，并能夠減小排放水平。
因此，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了在具有噴霧引導(dǎo)、中心直噴燃料傳送系統(tǒng)的所謂分層進(jìn)料發(fā)動(dòng)機(jī)中的優(yōu)選使用方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)有從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管通向燃燒室的“低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口”。
“翻轉(zhuǎn)”是對IC發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)的進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)速度的一種測量，并表示為該旋轉(zhuǎn)速度與平均氣缸空氣速度之比。這里所用的參數(shù)翻轉(zhuǎn)比是根據(jù)Endres.H.等的“Influence of Swirl and Tumble on Economy andEmissions of Multi Valve SI Engines”，SAE Technical Series PaperNo.920516中所述的方法測量的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)比小于2.0的“低翻轉(zhuǎn)”尤其有利于減小通過AADI而以中心噴霧引導(dǎo)模式噴射的分層進(jìn)料的過度貧油。根據(jù)上下文的翻轉(zhuǎn)比，必須把表述“低翻轉(zhuǎn)”在此提及，翻轉(zhuǎn)比是先進(jìn)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的典型產(chǎn)物，該先進(jìn)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)例如Ford“Zetec”發(fā)動(dòng)機(jī)。在后一種情況中，在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)氣閥升高9mm時(shí)所測得的最大翻轉(zhuǎn)比在3和4之間。當(dāng)與采用壁引導(dǎo)、直噴燃料傳送系統(tǒng)的產(chǎn)物和原型發(fā)動(dòng)機(jī)比較時(shí)，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的這些值也可稱為“低”，在該原型發(fā)動(dòng)機(jī)中，所測得的翻轉(zhuǎn)比超過4.0。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選是，向發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸供給進(jìn)料空氣的進(jìn)氣歧管管路和/或進(jìn)氣閥座設(shè)計(jì)成在進(jìn)氣口閥的整個(gè)升高范圍內(nèi)都保證缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)比為大約2.0或更小。與翻轉(zhuǎn)比為大約4.0或更大的對比基本發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這樣的翻轉(zhuǎn)比使得發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器的燃燒能夠顯著改善燃料消耗，較低NOx排放。
根據(jù)氣缸蓋的幾何限制，例如可用于改變在進(jìn)氣口/閥座附近的進(jìn)氣道彎曲半徑的空間，以及發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)載下工作時(shí)的其它限制，優(yōu)選是在閥的整個(gè)升高范圍內(nèi)，該低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口的平均翻轉(zhuǎn)比小于1.50，更優(yōu)選是，在進(jìn)氣閥升高的主要范圍部分上為大約1.0。
如前所述，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式在于發(fā)動(dòng)機(jī)具有低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)，并與噴霧引導(dǎo)、分層進(jìn)料的直接燃料噴射器相結(jié)合，因?yàn)檫@樣的組合至少在分層條件下能夠改變點(diǎn)火正時(shí)，因此，與有相同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)但有高翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口的情況相比，點(diǎn)火可以在壓縮沖程中“更早”進(jìn)行，即在減小(曲軸的)上死點(diǎn)前(BTDC)角度的情況下進(jìn)行。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，分層進(jìn)料、中心噴射且噴霧引導(dǎo)的發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和速度范圍內(nèi)以點(diǎn)火正時(shí)在5°至40°BTDC范圍內(nèi)的方式工作，而在400RPM至3600RPM的發(fā)動(dòng)機(jī)速度范圍內(nèi)，點(diǎn)火正時(shí)更典型的范圍為10°至35°BTDC。還發(fā)現(xiàn)，10°至35°BTDC的點(diǎn)火正時(shí)也可用于1巴IMEP至6巴IMEP(其中IMEP是指示平均有效壓力)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載范圍?？蛇x實(shí)施例可以是在發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載范圍為400RPM至3600RPM和1巴IMEP至6巴IMEP時(shí)采用10°至35°BTDC的點(diǎn)火正時(shí)。
本發(fā)明的第二方面是提供一種四沖程、火花點(diǎn)火、直接缸內(nèi)燃料噴射、分層進(jìn)料的內(nèi)燃機(jī)的工作方法，該內(nèi)燃機(jī)有燃燒空氣傳送系統(tǒng)，該燃燒空氣傳送系統(tǒng)設(shè)置成使由所述空氣傳送系統(tǒng)傳送給所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的燃燒空氣產(chǎn)生低缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中，在預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)載范圍內(nèi)，包括傳送給燃燒室的燃燒空氣和燃料的進(jìn)料的點(diǎn)火正時(shí)發(fā)生在上死點(diǎn)前5°至40°的范圍內(nèi)。
考慮到燃料消耗和廢氣排放水平，發(fā)動(dòng)機(jī)的分層燃燒工作的典型負(fù)載和速度范圍是400RPM至3600RPM和1至6巴IMEP。
還可以知道，低翻轉(zhuǎn)有閥進(jìn)氣道和AADI燃料噴射器的上述組合也可以組合到具有提高燃料燃燒和/或減小廢氣排放水平的其它措施的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這些其它措施例如廢氣再循環(huán)(EGR)；在某些發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載條件下雙流體噴射器的噴射壓力控制；在特定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載狀態(tài)下使提供給AADI噴射器的空氣具有選定的氣體量，該氣體例如氧氣和氮?dú)?；以及這里沒有清楚提出的其它措施。例如，SAE的文章980153“Combustion andEmission Characteristics of Orbital’s Combustion Process Appliedto Multi-Cylinder Automotive Direct Injected 4-stroke Engines”概述了使噴射器中的空氣壓力作為燃料壓力的函數(shù)或作為表示發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載狀態(tài)的變量的函數(shù)而進(jìn)行調(diào)節(jié)的可能機(jī)構(gòu)。美國專利US 5,207,204(日本Electronic Control Co)涉及一種空氣輔助燃料噴射系統(tǒng)，其中，空氣壓力根據(jù)燃燒室壓力的變化而控制，這樣，在噴射循環(huán)過程中保持(最佳)壓力差水平。類似的，Geoffrey Cathcart和Christian Zavier的SAE文章OOP-245“Fundamental Characteristics of an Air-AssistedDirect Injection Combustion System as Applied to 4-strokeAutomotive Gasoline Engines”概述了噴射壓力、噴射氣體成分和EGR水平也可以用于影響進(jìn)料分層和燃燒性能。
尤其是，在最后所述的SAE文章中介紹的措施可以與根據(jù)本發(fā)明的、通過采用低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣道/閥與利用AADI噴射器的中心噴射進(jìn)料的組合而提供的進(jìn)料運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合，成為互補(bǔ)的方法，它們通過相互配合而獲得更好的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，該SAE文章的內(nèi)容包含于此，以供參考。
通過下面參考附圖對本發(fā)明實(shí)施例的說明，可以清楚本發(fā)明的其它優(yōu)選特征和優(yōu)點(diǎn)。
對附圖的簡要說明圖1示意表示了在內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的進(jìn)料(燃料-空氣)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，該內(nèi)燃機(jī)采用三種已知類型的直接缸內(nèi)噴射燃燒系統(tǒng)，即“噴霧/噴嘴引導(dǎo)”、“壁引導(dǎo)”和“進(jìn)料運(yùn)動(dòng)/空氣引導(dǎo)”；圖2示意表示了典型的空氣輔助直接燃料噴射器，它能夠用于本發(fā)明的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中；圖3是表示在利用圖2的噴射器將燃料供給發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)直噴事件過程中的燃料質(zhì)量流曲線的視圖；圖4是表示利用圖2的噴射器將進(jìn)料噴入燃燒室的穿透速度的曲線圖；圖5是表示當(dāng)采用圖2的空氣輔助燃料噴射器時(shí)在典型的低負(fù)載燃料供給事件時(shí)的液滴大小分布曲線圖；圖6是四閥單氣缸蓋10的示意平面仰視圖，即當(dāng)從燃燒室內(nèi)部看時(shí)的視圖，表示中心噴射系統(tǒng)的出氣口、火花塞和直接缸內(nèi)燃料噴射器的布置方式；圖7a和7b是沿圖6的線VII-VII的示意縱剖圖，圖7a表示低翻轉(zhuǎn)進(jìn)口孔/進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)，而高翻轉(zhuǎn)進(jìn)口孔的結(jié)構(gòu)如圖7b所示；圖8是表示低翻轉(zhuǎn)和高翻轉(zhuǎn)進(jìn)口孔的翻轉(zhuǎn)流動(dòng)的曲線圖；圖9是表示消耗燃料的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)效果和HC排放；圖10是表示對于不同水平的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)火正時(shí)和燃燒過程；圖11是表示發(fā)動(dòng)機(jī)在1500rpm、2.0巴 IMEP下對于不同水平的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的燃燒質(zhì)量部分的曲線的視圖；圖12是表示在2000rpm、3.0巴 IMEP下燃料消耗和排放隨點(diǎn)火定時(shí)變化的曲線圖；圖13是表示在2000rpm、3.0巴 IMEP下燃燒穩(wěn)定性和煙霧水平對比點(diǎn)火正時(shí)的曲線圖；圖14是表示在2000rpm、3.0巴IMEP下對于不同點(diǎn)火正時(shí)的燃燒質(zhì)量部分的曲線的視圖；圖15是表示在2000rpm、3.0巴IMEP下燃料消耗和排放隨點(diǎn)火定時(shí)變化的曲線圖；圖16是表示在2000rpm、3.0巴IMEP下燃燒穩(wěn)定性和煙霧水平對比點(diǎn)火正時(shí)的曲線圖；圖17是表示在2000rpm、3.0巴 IMEP下對于不同點(diǎn)火正時(shí)的燃燒質(zhì)量部分的曲線的視圖；圖18是表示在2000rpm、3.0巴IMEP下燃料消耗和排放隨EGR水平變化的曲線圖(點(diǎn)火和噴射正時(shí)不變)；以及圖19是表示在2000rpm、3.0巴IMEP下燃燒穩(wěn)定性和煙霧水平對比EGR水平的曲線圖(點(diǎn)火和噴射正時(shí)不變)。
對優(yōu)選實(shí)施例的說明本發(fā)明認(rèn)為，當(dāng)在四沖程火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中采用中心直接燃料噴射系統(tǒng)時(shí)，尤其是采用噴霧運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，保持特定的進(jìn)氣口流動(dòng)特性能夠確實(shí)影響燃燒過程。下面將介紹一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例，該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)和證明了由本發(fā)明的低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口發(fā)動(dòng)機(jī)和中心噴霧引導(dǎo)燃料噴射系統(tǒng)的組合而提供的潛在優(yōu)點(diǎn)。
直接缸內(nèi)噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)可以采用空氣輔助直噴燃料系統(tǒng)，以便使噴射的燃料很好地燃燒?？諝廨o助直噴燃料系統(tǒng)在很多方面(facet)與目前的、基于在高壓下傳送燃料的單流體直噴系統(tǒng)不同。也許最明顯的區(qū)別是除直接噴射到燃燒室內(nèi)的燃料外，還添加了第二流體(即空氣)。該第二流體的壓力、成分和量都影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。通過有閥的進(jìn)氣口流入燃燒室的燃燒空氣流對通過雙流體(空氣-燃料)噴霧引導(dǎo)燃料系統(tǒng)而噴射到火花塞的點(diǎn)火區(qū)域附近的燃料云的分層和容積都有影響。
圖2表示了典型的空氣輔助直接燃料噴射器。它表示了一種向外開口的直接噴射器(或進(jìn)料噴射器)，該噴射器包括一個(gè)普通類型的多點(diǎn)孔燃料噴射器和一個(gè)空氣噴射器，其中界面區(qū)域提供了在空氣和燃料回路和噴射器之間的通路。普通的孔噴射器提供了燃料計(jì)量功能，并通常在8巴的恒定壓差下工作。計(jì)量的燃料與空氣在界面區(qū)域混合，隨后，包括燃料和空氣的進(jìn)料通過直接噴射器在通常6.5巴表壓下噴射到由發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸提供的燃燒室中。因?yàn)槿剂嫌?jì)量與直噴事件分離，直噴事件的持續(xù)時(shí)間和正時(shí)基本與噴射到氣缸內(nèi)的燃料的量無關(guān)。因此，增加直噴持續(xù)時(shí)間不會增大噴射的燃料的量，而是僅僅增加噴射的空氣的量，從而增加噴射燃料由噴射的空氣總體稀釋的程度。單獨(dú)的燃料計(jì)量還使得噴射的燃料質(zhì)量流量在整個(gè)直噴事件中變化，也就是，通過直接噴射器噴射的燃料質(zhì)量流量相對于時(shí)間并不恒定。
在直噴事件過程中傳送的燃料速率可以通過改變在燃料計(jì)量事件的結(jié)束時(shí)間和直噴事件的起始時(shí)間之間的延遲時(shí)間以及直噴的總持續(xù)時(shí)間而變化。圖3表示了直噴事件的整個(gè)持續(xù)時(shí)間中的燃料質(zhì)量流曲線。該類型的曲線是典型的空氣輔助燃料系統(tǒng)，并導(dǎo)致在接近噴射事件結(jié)束時(shí)產(chǎn)生相對貧油的噴射混合物?？諝廨o助噴射系統(tǒng)的這一特性曲線在鄰近點(diǎn)火正時(shí)時(shí)顯著降低了空氣/燃料比梯度，從而導(dǎo)致增加了穩(wěn)定性。
空氣輔助燃料系統(tǒng)在標(biāo)稱壓力為6.5巴表壓的相對低壓下工作，相反，目前的和將來的單流體系統(tǒng)在60至200巴之間的壓力下工作。該較低噴射壓力意味著穿透速度受到噴入該燃料的氣缸壓力的很大影響。當(dāng)氣缸壓力增大時(shí)，穿透速度減小，如圖4所示。較高氣缸壓力下的較低穿透速度使得在壓縮沖程后期進(jìn)行的注射能夠有良好的分層進(jìn)料容積。在該較低噴射壓力時(shí)，空氣輔助噴射器使得該噴射器系統(tǒng)產(chǎn)生很好的小液滴尺寸特性，這主要通過燃料液滴剪切。圖5表示了在典型的低負(fù)載加燃料事件時(shí)的液滴分布，其中SMD大約為10μm。在Houston，R等的“Combustion and Emissions Characteristics of Orbital’sCombustion Process Applied to Multi-Cylinder Automotive DirectInjected 4-Stroke Engines”，SAE 980153中更詳細(xì)地介紹了空氣輔助燃料噴射系統(tǒng)的工作，該文獻(xiàn)的內(nèi)容包含于此，以供參考。
應(yīng)當(dāng)知道，主要的缸內(nèi)流場影響燃料噴霧柱的狀態(tài)和隨后通過直噴燃燒系統(tǒng)提供的進(jìn)料的可點(diǎn)火性。通過低壓空氣輔助直噴系統(tǒng)，并與噴霧引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)組合，噴射進(jìn)料對準(zhǔn)火花塞間隙位置。通過低穿透速度和活塞的碗狀設(shè)計(jì)，火花塞間隙附近包含噴霧柱。本發(fā)明考慮到當(dāng)用于進(jìn)料運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)直噴燃燒時(shí)，較高平均流速結(jié)構(gòu)例如翻轉(zhuǎn)或渦旋可以不需要噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)。并認(rèn)為存在過量的缸內(nèi)平均流動(dòng)實(shí)際上可能有害，并使得噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)中的噴射燃料云過度混合，尤其是霧化良好的噴射燃料混合物，因此降低了通過中心噴霧引導(dǎo)噴射器系統(tǒng)提供的分層進(jìn)料的完全燃燒性。
為了證明中心直噴噴霧引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)和具有這樣的進(jìn)氣歧管的四沖程火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)組合的優(yōu)點(diǎn)，該進(jìn)氣歧管改變成能夠使傳送給燃燒室的空氣有助于在燃燒室內(nèi)獲得“低翻轉(zhuǎn)”，利用單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了測試。在該測試中，空氣輔助噴霧引導(dǎo)直噴燃燒系統(tǒng)包含在基于Ford Zetec發(fā)動(dòng)機(jī)的4V DOHC氣缸蓋中。當(dāng)向前的翻轉(zhuǎn)被認(rèn)為是該類型氣缸蓋結(jié)構(gòu)的主要進(jìn)口誘導(dǎo)流，對進(jìn)氣道/口的不同變化形式進(jìn)行了測試，以便產(chǎn)生不同程度的翻轉(zhuǎn)。
在下面的表1中列出了基本的發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格。至于下面所給出的所有結(jié)果，是發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格，除非另外進(jìn)行說明。
表1.單缸發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格所采用的燃燒室?guī)缀纬叽缡怯糜诿繗飧?閥的燃燒室的典型值，該燃燒室采用雙流體噴霧引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)，同時(shí)火花塞和噴射器位于燃燒室中心附近，在4閥之間，直接噴射器的軸線平行于氣缸孔軸線?；鸹ㄈg隙布置在靠近直接噴射器噴嘴出口的位置處，從而提供有當(dāng)燃料空氣混合物經(jīng)過火花塞間隙時(shí)直接點(diǎn)火該燃料空氣混合物的裝置。該結(jié)構(gòu)尤其如圖1以及圖6和7可見。
圖6是四閥、單缸氣缸蓋10的示意底平面圖，即從燃燒室內(nèi)部看時(shí)的視圖，其中，參考標(biāo)號表示由相應(yīng)提升閥關(guān)閉的兩個(gè)出氣口，40表示進(jìn)氣口，而25和30分別表示燃料噴射器25和火花塞位置。圖7a和7b是沿圖6的線VII-VII的示意縱剖圖，表示一個(gè)進(jìn)氣口提升閥42以及它的頭部43，該頭部43離開在孔開口40處閥座，該閥座以44表示，在該孔開口40處，進(jìn)氣氣缸管路46與燃燒室20連通。
圖7a表示了低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口/進(jìn)氣歧管管路46的形狀及其結(jié)構(gòu)，而圖7b示出了高翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)。通過不同結(jié)構(gòu)(布置)措施，可以獲得低翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，該措施可以單獨(dú)或組合影響氣流在燃燒室20內(nèi)的翻轉(zhuǎn)。如當(dāng)前所知，這些措施包括在緊接進(jìn)氣道46內(nèi)的進(jìn)氣口40的上游處提供低紊態(tài)氣流；保證氣流在經(jīng)過提升閥頭43背面后均勻分布；減小在閥頭43和閥座44處的流動(dòng)擾動(dòng)；干擾氣流經(jīng)過閥座44后的方向；改變進(jìn)氣道46和其它部件的形狀。
為了進(jìn)行測試，改變了進(jìn)氣道的幾何形狀。在圖7a和7b中，箭頭“l(fā)”和“h”用于表示經(jīng)過進(jìn)氣口40后的典型氣流流道，它們有低翻轉(zhuǎn)和高翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。圖7a的低翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上的箭頭“l(fā)”表示在經(jīng)過閥部件42的閥頭43后所希望有的、流入燃燒室20中的近乎均勻且軸向向下的氣流。還發(fā)現(xiàn)，減小進(jìn)氣中的徑向流動(dòng)分量將獲得在相應(yīng)燃燒室中的、具有低翻轉(zhuǎn)氣體運(yùn)動(dòng)的均勻氣流。通過將進(jìn)氣道46在進(jìn)氣口A1上游處的內(nèi)半徑ri和外半徑ra增加到超過和大于“普通”進(jìn)氣道軌線的相應(yīng)內(nèi)半徑ri(h)和外半徑ra(h)，可以獲得均勻氣流，否則，該“普通”進(jìn)氣道軌線的相應(yīng)內(nèi)半徑ri(h)和外半徑ra(h)只是由氣缸蓋內(nèi)的空間限制來規(guī)定。該更大的半徑ri和ra選擇為有足夠的尺寸，以便與在典型的較小半徑和相應(yīng)高翻轉(zhuǎn)孔結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的分離相比，能防止或大幅度減小氣流在靠近其彎曲部分的氣道壁處的分離。該氣流分離由圖7b中的氣流箭頭“hi”表示。由于氣道壁在空氣經(jīng)過孔開口排出之前沒有引導(dǎo)能力，因此氣流“不能”在靠近孔位置40的小內(nèi)半徑處形成合適的方向變化，從而導(dǎo)致橫過閥頭43的背面有非均勻的氣流分布。換句話說，經(jīng)過孔40的主氣流向量仍有足夠的徑向成分，以便在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)效果。
因此，優(yōu)選是，低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)在其末端的孔40(或座44)的上游處有直的進(jìn)氣道部分，從而保證流過該孔的氣流的方向主要為軸流向量，它有助于在閥頭處于打開位置時(shí)提供經(jīng)過閥頭43的均勻氣流。
顯然，也可以采用其它措施來幫助獲得在燃燒室內(nèi)的低翻轉(zhuǎn)氣體運(yùn)動(dòng)，以便(盡可能)防止破壞由AADI噴射器噴射到燃燒室內(nèi)的分層進(jìn)料。
圖8表示了在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)工作臺上進(jìn)行的翻轉(zhuǎn)流動(dòng)比較。如圖所示，“低翻轉(zhuǎn)孔”結(jié)構(gòu)在閥的整個(gè)提升范圍內(nèi)都減小氣缸內(nèi)的翻轉(zhuǎn)流動(dòng)?！案叻D(zhuǎn)”孔類似于很多目前的FI發(fā)動(dòng)機(jī)，并顯示了與該P(yáng)FI發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的高度翻轉(zhuǎn)。測試的低翻轉(zhuǎn)孔通過增加進(jìn)氣道在靠近進(jìn)氣閥孔座處的半徑而機(jī)械加工形成，以便將更多流體引向閥頭背面，如前所述。
對各進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分負(fù)載測試，以便定量表示在不同缸內(nèi)流態(tài)下的燃料消耗和排放效果。在各個(gè)點(diǎn)，標(biāo)定的目標(biāo)是在給定NOx排放水平下使燃料消耗最低。表2概括了測試點(diǎn)與相應(yīng)的NOx和COV限制。
表2.進(jìn)行翻轉(zhuǎn)比較的NOx和COV限制圖9表示了兩種進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)的燃料消耗和HC排放。結(jié)果顯示，低翻轉(zhuǎn)進(jìn)氣口在各個(gè)部分負(fù)載點(diǎn)都能減小燃料消耗，而HC排放也能保持或減小。燃料消耗的減小可能是由于減小了燃料在焰前氣體區(qū)域的過度貧油。它的一個(gè)最佳指示是為了獲得最佳扭矩而延遲了點(diǎn)火正時(shí)，這對于低翻轉(zhuǎn)孔結(jié)構(gòu)是很顯然的。
圖10對高翻轉(zhuǎn)孔和低翻轉(zhuǎn)孔在三個(gè)部分負(fù)載測試點(diǎn)進(jìn)行了點(diǎn)火正時(shí)和燃燒持續(xù)時(shí)間的比較。在所有情況下，在低翻轉(zhuǎn)孔的結(jié)果中，最佳扭矩(最小燃料消耗)的點(diǎn)火正時(shí)都延遲。
延遲點(diǎn)火正時(shí)的原因是因?yàn)槿鐖D所示減小了燃燒持續(xù)時(shí)間，從而提高了燃燒速度。這與均勻工作經(jīng)驗(yàn)不同，在均勻工作經(jīng)驗(yàn)中，通常增加燃燒速度以提高缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)。對于空氣輔助噴霧引導(dǎo)分層進(jìn)料燃燒系統(tǒng)，減小噴霧末端的燃料過度混合將導(dǎo)致提高燃燒事件后期的燃燒速度。實(shí)際上，當(dāng)對高翻轉(zhuǎn)和低翻轉(zhuǎn)的燃燒質(zhì)量部分的曲線進(jìn)行比較時(shí)，低翻轉(zhuǎn)孔的總?cè)紵掷m(xù)時(shí)間減小主要是因?yàn)闇p小了在80至100％的燃料燃燒的持續(xù)時(shí)間。減小過度混合還可以顯示為減小HC排放。不過，HC排放的減小并不是在所有結(jié)果中都很明顯；而是在兩個(gè)部分負(fù)載點(diǎn)處，HC排放都保持相對恒定。
為了對這種情況進(jìn)行解釋，應(yīng)當(dāng)記起在低翻轉(zhuǎn)孔的結(jié)果中，點(diǎn)火正時(shí)延遲，而這將導(dǎo)致增加烴的排放(如下面所述)。因此，需要減小燃料的過度貧油，以便在延遲點(diǎn)火正時(shí)的情況下保持相同的HC排放水平。
圖11表示了低翻轉(zhuǎn)和高翻轉(zhuǎn)在1500rpm，2.0巴 IMEP情況下的燃燒質(zhì)量部分曲線。它清楚顯示，對于低翻轉(zhuǎn)孔，在燃燒事件的后期燃燒速度增大。這導(dǎo)致形成了燃燒曲線的高出部分，同時(shí)能夠使主要燃燒部分延遲。
通過對典型的部分負(fù)載標(biāo)定點(diǎn)，即2000rpm，3.0巴 IMEP進(jìn)行參數(shù)掃描，也可以對雙燃料直接缸內(nèi)噴射燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試。對該點(diǎn)的基線標(biāo)定獲得小于1.5g/kWh的顯示單位NOx排放水平。這一低NOx水平是在該速度/負(fù)載點(diǎn)獲得的多缸車輛標(biāo)定的典型值，以便滿足綜合驅(qū)動(dòng)循環(huán)排放的目標(biāo)。表3表示了標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定設(shè)置，基線由該設(shè)置得出。下面所述的穩(wěn)定性測試通過與前面所述的噴射器稍微不同的直接噴射器來進(jìn)行。在使低NOx排放優(yōu)化的同時(shí)，該噴射器還在燃料經(jīng)濟(jì)性方面很有利。通過該噴射器，可以在凈顯示單位燃料消耗為225g/kWh的情況下獲得小于1.5g/kWh的NOx排放水平。
表3.基線標(biāo)定和排放結(jié)果
表4.基線標(biāo)定和排放結(jié)果三個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)掃描，即點(diǎn)火正時(shí)，噴射正時(shí)(固定噴射持續(xù)時(shí)間)和EGR比例。所有其它參數(shù)保持恒定，包括燃料供給量，這樣，在測試過程中能感測到負(fù)載的波動(dòng)。
圖12表示了單位燃料消耗和絕對排放隨點(diǎn)火正時(shí)的變化。圖中表示了在15度區(qū)域的點(diǎn)火正時(shí)(BTDC活塞運(yùn)動(dòng)的上死點(diǎn)之前)區(qū)域中，對燃料消耗影響很小。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)為32度BTDC時(shí)，燃料消耗少量降低，表示為當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)為34度BTDC時(shí)的基線標(biāo)定稍微靠上。正如所預(yù)計(jì)的，HC和NOx的排放看起來對點(diǎn)火正時(shí)更敏感。當(dāng)點(diǎn)火從基線提前時(shí)，NOx排放增加，因?yàn)樵龃罅巳紵郎囟确逯?。?dāng)點(diǎn)火提前大約6度時(shí)，HC排放減小。點(diǎn)火從該結(jié)果進(jìn)一步提前將導(dǎo)致HC排放逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)點(diǎn)火點(diǎn)相對于噴射正時(shí)不再是最佳點(diǎn)時(shí)，將減小燃燒的穩(wěn)定性。
相反，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)，NOx排放減小，而HC排放相應(yīng)增加。HC排放增加是因?yàn)闇p小了燃燒接近結(jié)束時(shí)的火焰溫度，從而減小了能夠順利燃燒的貧油極限A/F比率。這還使得燃料噴霧有更多時(shí)間擴(kuò)散，從而導(dǎo)致增大燃料云末端貧油。這些效果都增加了火焰實(shí)際熄滅時(shí)的燃料量，增加了未燃燒烴的排量。
圖13表示了對于不同點(diǎn)火正時(shí)的IMEP的COV。由該圖可見，在大約14度曲柄角區(qū)域中，COV小于4％，這對應(yīng)于IMEP的表壓偏差小于0.12巴。
圖14表示了與點(diǎn)火正時(shí)區(qū)域相對應(yīng)的燃燒質(zhì)量部分的曲線。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)延遲時(shí)，燃燒速度減小，在80至100％的燃料燃燒的區(qū)域最顯著。
通過提前最佳扭矩的點(diǎn)火正時(shí)，90％燃燒也將提前，表示充分混合。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)提前超過40度BTDC時(shí)，煙霧水平增加，因?yàn)闇p小了在火焰鋒到達(dá)之前的混合時(shí)間。當(dāng)點(diǎn)火提前時(shí)損失燃料經(jīng)濟(jì)性是因?yàn)槿紵€變得太提前，對于最提前的點(diǎn)火正時(shí)，超過90％的燃料在TDC之前燃燒。基線燃燒質(zhì)量部分曲線顯示與典型均勻進(jìn)料曲線和MBT正時(shí)相比提前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，50％燃燒的位置大約在10度ATDC。對于直噴、分層進(jìn)料的所述結(jié)果，當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)在30和34度BTDC之前，IMEP的變化很小。不過，將點(diǎn)火正時(shí)從34度延遲到30度BTDC將導(dǎo)致在TDC之前更少燃料燃燒，最后20％的燃燒燃料的燃燒速度減小。這兩個(gè)效果之間的凈結(jié)果導(dǎo)致單位燃料消耗的變化非常小。當(dāng)在低于30度BTDC的情況下減小點(diǎn)火提前時(shí)，將減小IMEP，且不會明顯損失燃燒穩(wěn)定性。這顯示基線標(biāo)定點(diǎn)的點(diǎn)火正時(shí)設(shè)置成接近最佳扭矩，同時(shí)不會抑制燃燒的穩(wěn)定性，因此認(rèn)為，僅需要使50％燃燒位置處于大約10度ATDC可能并不是最佳燃燒相位的最好顯示。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)進(jìn)一步減小到低于23度BTDC(從基線標(biāo)定延遲10度)時(shí)，燃燒穩(wěn)定性降低到偶然點(diǎn)不著火的狀態(tài)。
圖15表示了單位燃料消耗和排放對比開始噴射(SOI)正時(shí)和固定點(diǎn)火正時(shí)。燃料消耗也顯示在一定正時(shí)范圍內(nèi)對開始噴射正時(shí)的變化并不敏感，當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)偏離基線標(biāo)定值時(shí)只是逐漸增加。當(dāng)SOI延遲時(shí)，HC排放相對沒有變化，不過，當(dāng)SOI提前時(shí)增加。
HC排放增加是因?yàn)樵黾恿巳剂系膿p失容積，增大了燃料云末端的貧油。當(dāng)SOI正時(shí)改變時(shí)，NOx排放保持在幾乎恒定的水平。
圖16表示了對于SOI掃描的穩(wěn)定性和煙霧水平。在大致以SOI正時(shí)的基線標(biāo)定為中心的20度區(qū)域內(nèi)，IMEP的COV小于4％。不過，當(dāng)噴射正時(shí)延遲時(shí)煙霧水平增大。該延遲的噴射正時(shí)減小了噴射燃料的準(zhǔn)備時(shí)間，從而導(dǎo)致更高的煙霧水平。當(dāng)噴射正時(shí)延遲時(shí)，橫過直接噴射器的壓力差也減小，從而導(dǎo)致在噴射事件接近結(jié)束時(shí)噴射的液滴較大。減小準(zhǔn)備時(shí)間和增大在噴射事件接近結(jié)束時(shí)的噴射燃料液滴大小相組合，使得一旦噴射超過基線標(biāo)定正時(shí)而延遲時(shí)，煙霧水平對SOI具有相當(dāng)高的敏感性。
通過燃燒質(zhì)量部分的對比(圖17)可知，因?yàn)榍€幾乎沒有變化，因此對于大部分正時(shí)，燃料消耗對SOI并不敏感。在測試的SOI的極限情況，燃燒曲線相對于基線標(biāo)定情況延遲，并導(dǎo)致單位燃料消耗增加。對于提前的SOI，分層變?nèi)?，?dǎo)致在整個(gè)燃燒事件中燃燒速度較低，尤其是，在50％的燃料燒完后。該過度混合顯然也增加了觀察到的HC排放，如前所述。對于非常延遲的SOI，噴射的燃料在點(diǎn)火正時(shí)之前的混合時(shí)間變得不充分。這增加了火焰中心發(fā)展的時(shí)間。燃燒速度在燃燒事件的大部分時(shí)間內(nèi)保持與基線點(diǎn)相同，雖然由于點(diǎn)火更加延遲而使該時(shí)間延遲。這顯示通過延遲SOI正時(shí)，燃料噴霧有良好的容積，就象預(yù)計(jì)的那樣。
由點(diǎn)火和噴射正時(shí)掃描得出的結(jié)果證明空氣輔助噴霧引導(dǎo)直噴燃燒系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性。這與很多已公開的單流體系統(tǒng)不同，這實(shí)際上是這些噴射系統(tǒng)的向壁運(yùn)動(dòng)或進(jìn)料運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)的一個(gè)原因，就象在M.Grigo等的文章“Charge Motion Controlled Combustion System forDirect Injection SI Engine”，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能，GPC’98以及在C.Preussner等的“GDIInteraction Between Mixture Preparation，Combustion System and Injector Performance”，SAE文章no.980498中所述。
據(jù)認(rèn)為，雙流體系統(tǒng)的穩(wěn)定特性的一個(gè)主要原因是由于在典型點(diǎn)火正時(shí)中提高了靠近火花位置處的弱分層梯度。這可通過將空氣與噴射燃料一起噴入而實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還能使燃料計(jì)量和直噴事件分離。如圖3所示，從直接噴射器噴射的燃料質(zhì)量流量并不恒定。當(dāng)燃料流量減小時(shí)，噴射的空氣流量通常增加。這導(dǎo)致與在整個(gè)噴射期間的平均情況相比，在噴射事件快結(jié)束時(shí)噴射出貧油燃料混合物。這樣噴射的混合物形成了較低部分負(fù)載分層工作時(shí)的可點(diǎn)火混合物的基礎(chǔ)。結(jié)果是在較長時(shí)間內(nèi)，可點(diǎn)火混合物保持在點(diǎn)火源位置，從而形成能使燃燒保持穩(wěn)定的更大噴射和點(diǎn)火窗口?？諝廨o助噴霧引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)的該特性對于使它很容易轉(zhuǎn)用到車輛上是必不可少的。
還在進(jìn)氣歧管壓力恒定且其它參數(shù)保持在基線值水平的情況下進(jìn)行了EGR(再循環(huán)廢氣)的掃描。當(dāng)EGR水平從基線水平增加或減小時(shí)，流過發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流分別減小或增加。圖18表示了當(dāng)EGR水平改變時(shí)對單位燃料消耗和排放的影響。當(dāng)EGR水平從基線標(biāo)定變化大約40％時(shí)，單位燃料消耗稍微增加。這是因?yàn)樵谌紵录腥紵俣仁艿浇亓暨M(jìn)料中的EGR濃度的影響。當(dāng)增加EGR的水平時(shí)，燃燒速度減小，從而導(dǎo)致點(diǎn)火正時(shí)延遲太多，反之亦然。如圖所示，HC排放對EGR水平的變化相對并不敏感，直到EGR水平增加到超過45％。這一增加與燃燒穩(wěn)定性的減小(圖19)相符。NOx的排放看起來對EGR水平非常敏感，增加EGR水平將減小NOx排放，減小EGR水平將導(dǎo)致NOx排放很快增加。該高敏感是由于幾個(gè)組合因素。如前所述，當(dāng)EGR水平改變時(shí)，噴射和點(diǎn)火正時(shí)保持在基線標(biāo)定值。增加EGR水平導(dǎo)致燃燒速度減小，從而使得燃燒曲線更加延遲，這降低了NOx排放。當(dāng)EGR水平降低時(shí)，燃燒速度增加，導(dǎo)致燃燒曲線提前，這增加了氣缸溫度峰值，從而增加了NOx排放。當(dāng)考慮到燃燒速度的變化而對各EGR水平的點(diǎn)火正時(shí)重新優(yōu)化時(shí)，NOx的排放對EGR水平變化的敏感程度將小得多。
另一組合效果是由于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的再循環(huán)廢氣的成分變化。進(jìn)行EGR掃描的方式是保持進(jìn)氣歧管壓力恒定，這表示當(dāng)EGR水平降低時(shí)，A/F比率增大。這意味著不僅EGR的質(zhì)量減小，而且EGR中的燃燒產(chǎn)物如二氧化碳的濃度將減小，而未燃燒的氧的濃度將增加。氧濃度的增加將進(jìn)一步增加NOx排放產(chǎn)物。這些凈效果導(dǎo)致對EGR水平高度敏感，如圖18所示。通過當(dāng)EGR水平變化時(shí)保持A/F比恒定和重新優(yōu)化點(diǎn)火正時(shí)，可以顯著降低NOx排放對EGR水平的敏感性。例如，在相同的硬件結(jié)構(gòu)下以該方式進(jìn)行EGR掃描，結(jié)果顯示當(dāng)EGR從40％到35％減小5％時(shí)，NOx排放只是從1.5g/kWh增加到1.9g/kWh，比較而言，前面所給出的數(shù)據(jù)是4.8g/kWh。
如圖19所示，當(dāng)EGR水平減至零時(shí)，燃燒的穩(wěn)定性將保持。這在增加EGR水平時(shí)有5％的邊界余量，這時(shí)燃燒穩(wěn)定性保持在可接受的水平。當(dāng)EGR水平增加到超過該水平時(shí)將導(dǎo)致?lián)p失穩(wěn)定性，這時(shí)將開始部分燃燒和偶然有點(diǎn)不著火的循環(huán)。
在標(biāo)稱水平為大約0.06 FSN或更小時(shí)，對于EGR水平的變化，煙霧水平保持相對穩(wěn)定。當(dāng)EGR水平減小時(shí)，煙霧水平有很小地增加趨勢，同時(shí)當(dāng)EGR水平減小到低于10％時(shí)有相對較大的增加。即使當(dāng)EGR比例降低時(shí)A/F比增加，也可以看見該效果。這樣增加的原因是因?yàn)槠渌鼧?biāo)定參數(shù)，尤其是點(diǎn)火這時(shí)在掃描時(shí)保持恒定。如前所述，當(dāng)EGR水平減小時(shí)，燃燒速度增加，導(dǎo)致在燃料噴射和火焰鋒到達(dá)之間的時(shí)間更少。準(zhǔn)備時(shí)間的這樣減小導(dǎo)致所記錄的煙霧水平增加。通過對各個(gè)特定EGR水平優(yōu)化點(diǎn)火正時(shí)，可以消除該效果。通過執(zhí)行前述EGR掃描，通過優(yōu)化點(diǎn)火和噴射正時(shí)，可以使整個(gè)范圍內(nèi)的煙霧水平保持為低于0.1 FSN。
讀過本說明書的技術(shù)人員能夠知道本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)的改變和變化形式。這些改變和變化也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)，其包括至少一個(gè)燃燒室，該燃燒室有傳送噴射器，用于直接將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)；所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括至少一個(gè)有閥的進(jìn)氣道，用于將燃燒空氣傳送到所述燃燒室內(nèi)，其中，所述進(jìn)氣道和/或它的閥布置成使傳送給所述燃燒室的進(jìn)氣產(chǎn)生較低缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而減小燃料在所述燃燒室的焰前氣體區(qū)域的過度貧油。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中終止于燃燒室中的進(jìn)氣口的進(jìn)氣道布置成在緊接著提升閥頭部之后產(chǎn)生這樣的氣流圖形，該氣流圖形使所述進(jìn)氣產(chǎn)生較低的、與主氣流運(yùn)動(dòng)相反的缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該提升閥能夠可選擇地關(guān)閉所述孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述進(jìn)氣道設(shè)置成通過避免在緊靠進(jìn)氣口閥座的上游附近形成小曲率半徑的進(jìn)氣道，從而提供進(jìn)氣的所述較低缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，否則該小曲率半徑的進(jìn)氣道將有利于在從所述進(jìn)氣口送入燃燒室的燃燒室空氣中產(chǎn)生氣流矢量，該氣流矢量將引起所述進(jìn)氣的缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)是火花點(diǎn)火、往復(fù)運(yùn)動(dòng)類型，在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞基本沿氣缸的縱向軸線在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而進(jìn)氣道和/或可選擇地關(guān)閉該進(jìn)氣道的閥布置成使得相對于氣缸軸線基本沿徑向方向的進(jìn)氣氣流矢量最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機(jī)，其中該閥是提升閥，在閥座上游的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生流過提升閥頭部的背面的氣流，該氣流主要沿軸向方向，并橫過閥頭部背面基本均勻地分布。
6.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機(jī)，其中該燃料噴射器布置成中心噴射直接燃料噴射器。
7.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機(jī)，布置成進(jìn)行噴霧引導(dǎo)燃燒。
8.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料傳送噴射器用于將夾帶于氣體中的燃料傳送給燃燒室，尤其是，所述燃料傳送噴射器是氣體輔助直接缸內(nèi)燃料噴射器，用于在所述燃燒室中產(chǎn)生分層進(jìn)料。
9.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機(jī)，其中該有閥的進(jìn)氣道設(shè)置成在進(jìn)氣口閥的整個(gè)升高值范圍內(nèi)都保證缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)比小于大約2.0，優(yōu)選是小于1.5，更優(yōu)選是，在進(jìn)氣閥升高的主要范圍部分上為大約1.0。
10.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的內(nèi)燃機(jī)，還包括點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)，用于使通過所述燃料傳送噴射器傳送到燃燒室內(nèi)的分層進(jìn)料可選擇地點(diǎn)火，所述點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)布置成在預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和速度范圍內(nèi)，在壓縮沖程中，使點(diǎn)火正時(shí)在大約5°至40°BTDC范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分層進(jìn)料、中心噴射、噴霧引導(dǎo)、火花點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)，其中該點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)布置成在400RPM至3600RPM的發(fā)動(dòng)機(jī)速度范圍內(nèi)，工作時(shí)的點(diǎn)火正時(shí)的范圍為大約10°至35°BTDC。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的分層進(jìn)料、中心噴射、噴霧引導(dǎo)、火花點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)，其中該點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)布置成在1巴IMEP至6巴IMEP的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載范圍內(nèi)，工作時(shí)的點(diǎn)火正時(shí)為大約10°至35°BTDC。
13.一種內(nèi)燃機(jī)，其包括至少一個(gè)燃燒室，該燃燒室有一進(jìn)氣口，該進(jìn)氣口有相應(yīng)的進(jìn)氣閥，用于使燃燒空氣大致沿第一軸線進(jìn)入所述燃燒室；一點(diǎn)火裝置；以及至少一個(gè)燃料傳送裝置，該燃料傳送裝置沿大致平行于所述第一軸線的方向?qū)⑷剂现苯虞斔徒o所述燃燒室，并輸送到所述點(diǎn)火裝置附近，其中，所述進(jìn)氣和所述燃料的所述大致平行方向減小了燃料在所述燃燒室的焰前氣體區(qū)域的過度貧油。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述大致平行的方向是通向所述燃燒室的軸向。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述燃料傳送成在有所述焰前氣體區(qū)域的所述燃燒室中提供分層進(jìn)料。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任意一個(gè)所述的內(nèi)燃機(jī)，其中所述進(jìn)氣相對于所述大致平行方向有著有限的徑向流。
17.一種內(nèi)燃機(jī)，其包括至少一個(gè)燃燒室，該燃燒室有燃料傳送噴射器和點(diǎn)火裝置，并布置成使燃料噴霧引導(dǎo)噴射到所述燃燒室中，所述內(nèi)燃機(jī)還包括至少一個(gè)有閥的進(jìn)氣道，用于將燃燒空氣傳送到所述燃燒室內(nèi)，其中，所述進(jìn)氣道和/或它的閥布置成使傳送給所述燃燒室的進(jìn)氣產(chǎn)生較低缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而減小所述噴霧引導(dǎo)燃料在所述燃燒室的焰前氣體區(qū)域的過度貧油。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的內(nèi)燃機(jī)，還布置成使燃料的分層進(jìn)料噴射到所述燃燒室內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)小于2.0。
全文摘要
一種內(nèi)燃機(jī)，包括至少一個(gè)燃燒室(20)，該燃燒室有傳送噴射器(25)，用于直接將燃料噴射到所述燃燒室內(nèi)；所述發(fā)動(dòng)機(jī)還包括至少一個(gè)有閥的進(jìn)氣道(46)，用于將燃燒空氣傳送到所述燃燒室內(nèi)，其中，所述進(jìn)氣道和/或它的閥(42)布置成使傳送給所述燃燒室的進(jìn)氣產(chǎn)生較低缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而減小燃料在所述燃燒室的焰前氣體區(qū)域的過度貧油。所述傳送噴射器(25)用于將夾帶于氣體中的燃料傳送給燃燒室，尤其是，所述燃料傳送噴射器是氣體輔助直接缸內(nèi)燃料噴射器，用于在所述燃燒室中產(chǎn)生分層進(jìn)料。該有閥的進(jìn)氣道設(shè)置成在進(jìn)氣口閥的整個(gè)升高值范圍內(nèi)都保證缸內(nèi)翻轉(zhuǎn)比小于大約2.0，優(yōu)選是小于1.50，更優(yōu)選是，在進(jìn)氣閥升高的主要范圍部分上為大約1.0。這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的分層控制。
文檔編號F02P5/15GK1444695SQ01807292
公開日2003年9月24日 申請日期2001年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者杰弗里·P·卡斯卡特, 克里斯琴·C·薩維爾, 唐納德·A·雷爾頓, 約翰·R·麥克格雷斯 申請人:軌道工程有限公司