将气体燃料喷射入内燃机的方法

专利名称：将气体燃料喷射入内燃机的方法
技术领域：
本发明涉及一种将气体燃料直接喷射入内燃机的燃烧室的方法。 气体燃料在此处被定义为任何在大气压力和环境温度下处于气相的燃 料。更具体地，本方法涉及为不同的预定运行模式选择不同的气体燃 料喷射策略，借以随着发动机速度和发动机负荷的变化来控制被引入 该燃烧室的燃料的时机、数量和质量流速。
背景技术：
一个多世纪以来，以液体燃料作燃料的内燃机发动机一直被用于 产生动力和驱动机器。从一开始，内燃机就在经受许多改进，以变得 更加有效率、更加有力和/或更少污染。为了协助这些改进，燃料性质 和质量也已得以改进，而且替代性的燃料诸如曱醇和其他醇基燃料也 被考虑，以帮助减少有害排放。然而，与这些液体燃料相比，基于能量测量为等量的同样量的可燃气体燃料，例如曱烷、丙烷、丁烷、氢 气、天然气，以及这些燃料的混合物，可被燃烧以产生同样的能量， 同时产生更少的微粒和温室气体形式的有害排放。
然而，在传统内燃机中用这些气体燃料中的某一些来替换液体燃 料的问题是这些气体燃料通常不能像液体燃料那样容易燃烧或者在与 液体燃料相同的速率下燃烧。当气体燃料替代液体燃料的时候也会导 致许多其他差别。例如，该燃烧策略可以有所不同，以考虑和气体燃 料相关联的较长的燃烧时延，或者将气体燃料喷射入发动机需要较长 的时间。此外，燃料供给系统和将燃料引入该发动机的方式通常需要 专用于处理气体燃料的设备。此外，所选择的燃烧策略可确定用于燃 烧室的不同的几何形状。从而，在不作显著修改的前提下，适合以液 体作燃料的发动机的设计可能不适合以气体作燃料的发动机，而这会 影响商业适应性。
当前在商品车辆中使用的以气体作燃料的发动机，使用具有均匀 混合物形成、火花点火和节流阀控制的奥托循环，鉴于商品车辆所需 的耐久性、功率和转矩，这些发动机主要是得自修改的柴油机循环发 动机。例如，由柴油机循环发动机的混合物形成过程修改而来的混合 物形成过程，以及火花点火的使用，都要求对进气系统和汽缸盖作出 分别的修改。经修改的燃烧过程也需要在活塞中经过修改的燃烧室凹 槽。发动机制造商通常作出努力以保持将被修改用于气体燃料运行的 发动机部件尽量地少。这是为了限制用于将发动机适用于使用气体燃 料而产生的额外制造成本而作出的努力，如有可能，同时维持传统燃 料发动机的操作者对于他们的商品车辆已经习以为常的耐久性和长服 务年限。
对于以气体作燃料的内燃机，主要的燃烧过程之一以化学计量比 的空气-燃料混合物结合三元催化转化器来运行，以降低排放。起初， 对在商品车辆中的以气体为燃料的发动机的需求是基于对低排放特性
的期望，而效率和燃料消耗特性成为了次要的考虑事项。对气体燃料 的混合通常在气体燃料混合器中发生，该气体燃料混合器被安置在进 气系统的中央，该进气系统带有电子控制的气体燃料供应。更多新近 的气体燃料系统已经转变为在每个汽缸的进气阀之前进行多点喷射，以增进燃料的均等分布，并在非固定的发动机运行中维持化学计量的 混合物成分。为了保持化学计量比Ol)的空气-燃料混合物，可以采 用从汽油发动机获得启示的"闭循环"空燃比控制。这个压缩比通常
-故限制在介于11: 1和11. 5: 1之间的值，以保证足够的安全余量以防爆震。
可以通过非增压发动机以化学计量控制来达到的性能与正常送气 的以液体为燃料的柴油机循环的发动机的性能相比至少低5%，这是由 该发动机吸入的空气体积的减少所导致的，而该发动机吸入的空气体 积的减少是由向进气管添加气体燃料所引起的。与现今的以液体为燃 料的增压柴油机循环发动机相比，虑及较高的热负荷和与奥托循环发 动机相关的爆震极限，以气体为燃料的奥托循环发动机最多少产生15% 的功率。这种功率损失已经将对排放气体再循环("EGR")的使用纳入 考虑，由此最多达15%的EGR率可以具有减少热负荷的效果。补偿奥 托循环发动机的较低性能的实用方式是增加位移。
对化学计量比控制的以气体作燃料的发动机的燃料节约，是以在 固定的十三工况测试下与可比的柴油发动机相比高出15到20°/。为其特 征的。当经常地在低负荷下运行时，正如对于在城市中运行的公共汽 车，人们发现节流阀控制导致燃料消耗量增加40%以上。
关于化学计量控制的以气体作燃料的发动机的功率和燃料节约措 施的缺点，与现今的以液体作燃料的柴油机循环发动机相比，可以通 过采用贫燃料混合发动机的概念来显著地减少。混合物形成的过程通 常在涡轮增压器的下游发生，该涡轮增压器位于电子控制的空气-燃料 混合器之中，该空气-燃料混合器位于该进气系统中心。对于介于11: 1 和11. 5: 1之间的压缩比，贫燃料混合发动机通常具有一个几何形状与 化学计量控制发动机的燃烧室的几何形状相似的燃烧室。由于较为稀 薄的天然气空气-燃料混合物导致了激烈下降的燃烧比，作出例如对挤 流的适当调整就是必要的或者是期望的，以相应地更高的碳氢化合物 排放来抵消延长的燃烧过程。对于高发动机负荷，现今的贫燃料混合 发动机所能达到的空气比率不大于k = 1.5,使得较高的燃烧速率成 为可能。在较低的发动机负荷下，燃烧温度较低，且对贫燃料混合操 作的能力因此被限制在介于1. 1和1. 3之间的1值。制的气体燃料发动机的部件上的热应力，就有可能显著地增加推进压
力[boost pressure],从而结合增压空气[charge-air]冷却，可以达
到最高达14巴的有效平均压力。该转矩带在很大程度上相应于大量市 面有售的以液体作燃料的柴油机循环发动机的转矩带。然而，与Euro 3标准的以液体作燃料的柴油机循环发动机达到的功率水平相比，贫 燃料混合发动机仍然具有显著的功率劣势。
由于对于现今的贫燃料混合发动机以更稀薄的混合进行运行的能 力被限制到介于1. 2和1. 4之间的1值，尤其是在较低的部分负荷范 围，由于天然气与传统的液体燃料相比较慢的燃烧速率，这些发动机 也需要节流阀控制。从而，ECE R49排放测试确定了燃料消耗率，基 于发动机设计的燃料消耗率与可相比的以液体作燃料的柴油机循环发 动机相比要大15%或更多。例如，在城市公共汽车的日常运行中，这 一点就导致了最多达30%的更高的燃料消耗值，因为发动机在空转或
低负荷情况时的运行占去 一 大部分运行时间。
以满足在2005年开始生效的新Euro 4排放标准为目标的，用于
天然气发动机的贫燃料混合概念，被期望为以已有的贫燃料混合发动 机概念的进一步发展为其特征，其目标在于放宽贫燃运行的限制，以 允许被减少的低于3. 5g/kWh的界限的N0x排放值。
为此目的，在改进中的燃烧过程以更加集中的汽缸充气运动为其 特征，以补偿在接近全负荷的运行条件下，具有最高达1.6的相对空 燃比的非常稀薄的混合物的剧烈减少的燃烧速率。此类贫燃料混合物 发动机以在贫燃料混合物上增强的运行能力来处理燃烧过程，并且被 装备有排气涡轮增压装置和充气冷却装置。依靠此设计，压缩比介于 11. 7: 1和13: 1之间。这样的设计应该能够在ECE R49排放测试中达 到介于1. 5和2g/kWh之间的N0x值，假设在催化转化器上游处的碳氢 化合物值为大约2. 9g/kWh。
由于在全负荷下的较高压缩比和贫燃料混合物，最大发动机效率 可被增加到40%的值。从而，在ECER49测试周期中，燃料消耗值应该 仅比未来的用于Euro 4排放标准的液体燃料柴油机循环发动机设计高 5%到鉴于该涡轮增压器的设计，可达到的平均压力可以达到14巴到18巴的最大有效平均压力。
除了在均匀[homogeneous]贫燃料混合处理的领域中的进展之外， 最近的努力被导向将高压气体燃料直接喷射入未被节流的发动机的燃 烧室中的过程。这样的发动机可以采用与以液体作燃料的柴油机循环 发动机中所采用的压缩比类似的压缩比，因为爆震不成为问题。例如 关于此类型的发动机，可以采用介于14: 1到20: 1之间的压缩比。这 种方法的好处之一在于，不仅具有以气体作燃料的发动机可达到的低 排放等级，还可以具有通常仅仅与以液体作燃料的柴油机循环发动机 相关的显著较高的效率等级。
美国专利No.5，329， 908公开了用于以气体作燃料的发动机的一 种压缩天然气喷射系统。对燃料喷射喷嘴进行操作，以使得在喷射过 程中，该气体燃料通过一个在喷射过程中形成的环形排气开口扩散成 云状进入该燃烧室凹槽。在此过程中，该云的一部分与火花塞接触， 且在该燃烧室内的空气-燃料混合物在火花塞处被点燃。此处描述的实 施方案之一使用了恒压气源，还使用了 一个传统的电热塞(glow plug ) 作为火花塞。燃料供给单元被描述为，当该活塞位于上死点附近时， 保证能够以足够高以将燃料引入该燃烧室的压力将气体燃料供应到燃 料喷射阀。该发动机在达到了类似于以液体作燃料的柴油机循环发动 机的效率的高效率模式下运行。然而，诸如在柴油机中使用的那些传 统电热塞被设计为仅仅在开始时提供点火辅助，因为 一旦柴油机运行， 柴油燃料在柴油机中现有的压力和温度下易于自动点火。由于气体燃 料诸如天然气并不像柴油那样易于自动点火，在当前装置中可能需要 一个火花塞以持续性地提供点火辅助以开始燃烧。对仅被设计为用于 在开始时短暂使用的传统电热塞的持续作动，可能导致早期故障。实 验已经示出，电热塞的服务寿命的长度随着运行温度的上升而通常会 减少，且无法依靠传统电热塞以提供在以气体作燃料的内燃机的操作 者预期要求的温度下的持续作动。
需要一种以气体作燃料的内燃机，其具有可与同等的以液体作燃 料的柴油机循环发动机相匹配的性能、效率、可靠性和耐久度，同时 产生较低的有害排放诸如颗粒物质和氮氧化合物。这样的发动机在空 气质量的改进上可以扮演主要角色，尤其是在当前对以液体作燃料的柴油机循环发动机密集使用的人口密集区域，在这样的区域中气体燃 料诸如天然气可以被容易地分发。

发明内容
提供了 一种用于将气体燃料喷射入未节流的高压缩发动机的燃烧
室的方法。例如，在具有介于14: 1和20: 1之间的压缩比的发动机中， 可以在介于200到300巴的高压下喷射该气体燃料，其中燃料喷射在 压缩冲程临近结束时开始。也有可能达到高压缩比和高喷射压力。可 以设定燃料喷射过程的持续时间，以使得在做功沖程的开始，燃料继 续被喷射。在优选的实施方案中，人们期望喷射过程在燃烧开始之后 仍然继续。该方法导致了不均匀的空气-燃料混合物的形成，其与在柴 油机中形成的空气燃料混合物类似。为了实践此方法，需要一种带有 置于燃烧室之内的喷嘴端的高速气体燃料喷射阀，该喷射阀是可控制 的，以允许介于0和最大流量之间的中间质量流速，且其可以被操作 以在喷射过程的过程中在不同的流速之间调整。这样的喷射阀被用于 将该气体燃料喷射入燃烧室中，以使得指令的燃料喷射脉沖的波形可 被操控。该燃料喷射阀的作动器优选地是可操作的，以改变在喷射过 程中用于升程阀门针的指令幅度，并且将作动脉冲的波形从一个燃烧 循环改变到下一个燃烧循环，该脉冲由对照时间绘出的指令幅度所限 定。该燃烧室是由汽缸、可在汽缸内往复运动的活塞以及覆盖了汽缸 的一端的汽缸盖所限定的。活塞杆将活塞连接到曲柄轴，从而曲柄轴 通过活塞的往复运动成为可转动的。该燃烧室可被在活塞头部(这是 朝向该燃烧室的该活塞的端表面)形成的活塞碗或凹槽来部分地限定。 使用本方法，并且用基本与同等的柴油机发动机相同的压缩比来运行， 通过将该燃烧室塑形以使其在很大程度上与传统柴油机中的燃烧室的 几何形状相对应，可以减少天然气运行所需的修改并且减少制造成本。
由于气体燃料例如天然气在内燃机中可靠地自燃的能力不足，在 该方法的优选实施方案中，对空气-燃料混合物的点火是通过采用点火 设备来保证的。例如，点火设备可以包括一个热表面元件，例如包括 了点火器的电热塞，该点火器可以被电热部件所加热。
更具体地，该方法包括从至少两个随着发动机负荷和发动机速度而变化的预定运行模式中选择一个，其中当该发动机被指令以在相应 于低负荷和低速度范围的第一区域内运行时，选择第一运行模式，而 当该发动机被指令以在一个不同于第一区域的第二区域内运行时，选 择第二运行模式，该第二区域相应于与该第一区域相比较大的负荷范 围和较大的速度范围中的至少一个。该方法还包括了，为每个燃烧循 环指令至少一个到该作动器的作动脉沖，以打开该燃料喷射阀，并且
将该气体燃料引入燃烧室，其中在该第一运行模式下，指令的作动脉 冲具有基本矩形的波形，而在该第二运行模式下，指令的作动脉冲包 括至少两种限定波形的片段，其中第一片段的指令幅度小于在该第一
片段之后出现的第二片段的指令幅度的90%。
在一个实施方案中，当选择该第一运行模式时，该方法进一步包 括，将该作动脉冲整形为以一个开头片段开始，该开头片段在该阀门 针被升到打开位置时结束，其中在该开头片段持续时间内的该指令幅 度比该作动脉沖的剩余部分的指令幅度高5%到10%。因为将阀门针移 到打开位置所需的时间相对于作动脉冲的整个长度而言非常短，并且 因为开头片段的幅度并非大大高于该作动脉沖的其他部分，即使采用 了开头片段，该作动脉冲的波形仍然基本为矩形。开头片段的高幅度 有助于改进阀门针开启运动的连贯性，从而降低了从一个循环到另一 个循环和从汽缸到汽缸的可变性。当第二运行模式被选择时，也可能 采用一个开始片段，以达到同样的结果。也即，当第二运行模式被选 择时，该方法还可以包括通过将该第 一片段前序一个开头片段来对该 作动脉冲整形，该开头片段在该闹门针被升到打开位置时结束，其中 在该开头片段持续时间内的该指令幅度比该第一片段的指令幅度高5% 到10 / 。当选择该第二运行模式时，该第一片段优选地具有长于第二 片段的持续时间。
当选择该第 一运行模式时，用于喷射过程的持续时间对于例如一 氧化碳和N0x等排放物具有影响，对于其他运行特性例如燃烧稳定性 和热力效率同样如此。当选择该第一运行模式时，介于大约3毫秒到 大约5毫秒之间的喷射过程持续时间被发现是有效的。人们相信，由
喷射持续时间明显地超过燃烧开始时间而引起的扩散燃烧模式，可以 达到与预混合燃烧模式相比更为令人期望的燃烧特性，其中该预混合燃烧模式在喷射过程的持续长度相对短的时候可能发生。如果该喷射 过程的持续时间过于短，这可能意味着太多的燃料在开始燃烧之前被 引入，且这可以导致不那么完整的燃烧和更高的未燃烧碳氩化合物的 排放。从而，在优选的实施方案中，对于每个喷射过程，控制每个喷 射过程的时机和持续时间，以使得在燃烧开始之后该气体燃料的大部 分被引入该燃烧室。在该第一区域内，对于该第一运行模式，当该发
动机正在空转(idle)状态下运行或临近空转状态时，可以采用大约 5毫秒的喷射持续时间，且在该喷射过程的持续时间内的改变可以随 着发动机速度而变化，随着发动机速度从空转状态增加，喷射过程的 持续时间减少而幅度增加。在空转和低负荷条件下，只需要少量的燃 料，因此要求介于3到5毫秒之间的用于喷射过程的持续时间意味着 与发动机特性曲线图(engine map)上的其他运行点相比，指令幅度 必须较低。然而，指令的幅度太低可能导致在期望的时间没有足够的 燃料被引入以产生可燃混合物。从而，在优选的实施方案中，除了具 有至少3毫秒持续时间的作动脉冲之外，当选择第一运行模式时，该 作动脉冲也被指令具有一个幅度，其将足够数量的气体燃料引入该燃 烧室以在该点火器周围形成可燃的空气-燃料混合物，用于由该第一运 行模式所定义的运行条件。
此外，当选择第一运行模式时，对于恒定发动机速度，在某些实 施方案中，在开始和结束该作动脉冲之间的时间可以基本是恒定的， 且该方法还可以包括随着发动机负荷的增加来增加该指令幅度。可控 制以调整阀门针的升程的燃料喷射阀的好处之一在于，该指令作动脉 冲的指令幅度和持续时间均可响应于该发动机的运行条件而被指令到 预定值。该指令作动脉冲开始的时机也可以响应于发动机速度和负荷 而i皮控制。例如，当选择该第一运行模式的时候，该方法还可以包括 当该曲柄轴位于在该上死点之前的9°和15。曲柄角之间时，开始该 作动脉沖。
该方法还可以包括随着缸内压力的变化调整该幅度，从而指令幅 度随着缸内压力减少而增加。这样的调整通过更为准确地控制阀门针 的升程和引入该燃烧室的燃料量，可以增进运行的连贯性。
当发动机在该第二运行模式下运行时，该方法还可以包括当曲柄轴位于上死点之前ll。到36°曲柄角之间时，指令该作动脉冲开始。 在笫二运行模式下，要求较宽的燃料需要量的范围，且为了将期望数 量的燃料引入该燃烧室，可能有必要将用于作动脉冲开始的时机提前。
当选择该第二运行模式且该作动脉沖包括了在指令该指令幅度到 0之前将该幅度指令到一个高于预定阈值的峰值幅度时，该方法还可
以包括将该幅度指令到一个介于峰值幅度和0之间的中间幅度。指令 幅度可以在小于IO。曲柄角的持续时间内被保持在该中间幅度，且更 优选地是在介于3°到7°曲柄角之间的持续时间内。将该幅度指令到 这样一个中间幅度的原因，是为了减緩阀门针，以减轻其在关闭时对 阀门座的碰撞。从而，在某些实施方案中，将该幅度指令为中间幅度 的时间长度是足够长以减緩阀门针的关闭运动，而不必真正地对阀门 针的关闭运动作出暂停。
当选棒该第二运行模式且该发动机在恒稳态条件下运行时，该方 法可以包括通过将在用于该发动机的进气系统中的推进压力限制到小 于120kPag，更优选地限制到小于65 kPag,来减少碳氢化合物和N0x 排放量。
日本的G13排放认证测试要求在13种发动机运行条件下测试发动 机排放，每种条件被称为一个"模式"。此测试的"模式6"相应于 当该发动机在本方法的第二运行模式之下运行时，当该发动机速度处 于该发动机产生最大功率的速度的60%时，则该发动机以40%可达到的 最大发动机转矩运行。在模式6收集的实验数据示出，在该运行条件 下，在用于将空气供给到该发动机的燃烧室中的进气系统中，推进压 力可被限制，因此空燃比("小于2.7。
当选择该第一或第二运行模式时，该方法还可以包括控制喷射时 机和指令幅度中的至少一个，以将参照发动机特性曲线图所确定的预
定数量的燃料引入，并且在燃烧开始后结束该喷射过程。该方法还可 以包括随着发动机速度的变化控制用于开始该喷射过程的时机，并且 为了随着发动机速度升高而控制该喷射过程开始的时机，增大在上死 点之前曲柄角的度数。
优选的方法还可以包括当该发动机被指令为在不同于该第二区域 的第三区域中运行时，选择一个第三运行模式。与该第二区域相比，该第三区域相应于较大的负荷范围和较大的速度范围中的至少一个。 在该第三运行模式下，对于每个燃烧循环，在一个实施方案中，该方 法还可以包括在两个分离的喷射过程中将该气体燃料引入。当该发动 机在第三运行模式下运行时，对于恒定发动机负荷，该方法还可以包 括随着发动机速度的变化改变开始该第一喷射过程的时机，从而随着 发动机速度的减小，将用于开始第一喷射过程的时机指令为在该燃烧 循环中的晚些时候，在第一和第二喷射过程的开始之间的以毫秒为单
位的相对时间保持恒定。该方法还可以包括指令0.4毫秒用于第一喷 射过程的持续时间。此外，介于第一喷射过程的结束和第二喷射过程 的开始之间的时间，可被指令为介于O. 3到0. 4毫秒之间。
在本方法的另一实施方案中，当选择该第三运行模式时，作动脉 冲包括至少三个具有基本不同的幅度的片段，其中第一片段具有低于 第二片段的指令幅度，该第二片段出现在该第一片段之后，且该第二 片段具有低于第三片段的指令幅度，该第三片段出现在该第二片段之 后。在此实施方案中，"基本不同"的幅度被定义为具有多于10%的 差异的幅度；也即，在本实施方案中，第二片段的指令幅度比第一片 段的指令幅度高10%还多，且比第三片段的指令幅度低10%还多。在此 实施方案中，可在单个喷射过程中引入全部气体燃料。对于单个喷射 过程，该方法还可以包括随着发动机速度的变化来控制喷射过程开始 的时机，并且增大在上死点之前的曲柄角角度，用于随着发动机速度 升高来控制喷射过程开始的时机。
当选择该第三运4亍模式且该发动机在稳态条件下运行时，该方法 还可以包括指令用于该发动机的进气系统中的推进压力为介于大约 100kPag和大约120kPag之间，更优选地为小于大约100kPag。对于这 些测试推进压力的发动机，在该第三运行模式下，这些压力通常相应 于指令一个介于大约1. 4和大约1. 5之间、且更优选地是大约1. 5的 1。
在该第三运行模式下，该方法还可以包括控制喷射时机和指令幅 度之中的至少一个，以引入参考发动机特性曲线图所确定的预定数量 的燃料，并且在燃烧开始之后结束该喷射过程。对于每个燃烧循环， 该气体燃料的大部分优选地在燃烧开始之后被引入该燃烧室。在用于在该第二运行模式下关闭该燃料喷射阀的优选实施方案 中，当选择第三运行模式时，如果指令作动脉沖包括了在指令该指令
幅度到o之前，指令该幅度到一个高于预定阈值的峰值幅度，则将该 幅度指令到一个介于峰值幅度和Q之间的中间幅度。当第二运行模式 被选择，在选择第三运行模式时，该指令幅度可被保持在一个中间幅 度，其用于小于IO。曲柄角的持续时间，且更具体地，在某些实施方 案中用于介于3。和7°曲柄角之间的持续时间。


除了参考例证了本方法和显示了本方法的优势的实验数据的图之 外，还可以参考示出了用于实现本方法的优选装置的图，以更好地理 解本方法。
图1是气体燃料喷嘴和置于燃烧室内的点火设备的侧视图。 图2是一个放大的和更为详细的点火设备的侧视图，其可以被所 示出的朝向喷射间的孔开口所定向，其中点火喷雾来自该喷射阀。在 中心线的右侧示出了横截面图，以更好地示出点火器在套筒之内的位置。
图3是假设活塞被取掉的从燃烧室底部观察的该汽缸盖的平面 图，示出了该燃料喷射阀相对于该点火设备的位置。
图4是局部剖面图，如图3中的剖面线所示。图4的局部剖面图
示出了燃料喷雾的中心线，示出了用于将燃料喷雾引向点火设备并且 引入该燃烧室的喷射角。图4A是燃料喷射阀喷嘴和点火设备的放大视 图，示出了当没有其他燃料喷雾存在时，点火燃料喷雾的更为清晰的视图。
图5是与该气体燃料喷射阀相关联的燃料供给系统、用于该燃料 供给系统的控制器和该燃料喷射阀的总体示意图。
图6A到6D是对照发动机速度示出了发动机负荷的描点图，其限 定了根据本方法选择不同运行模式的区域。
图7A到7E是代表了为在一个喷射过程中将气体燃料引入该燃烧 室而在不同运行模式下控制质量流速的多个用于控制燃料喷射阀的作 动的优选的指令脉沖的曲线图。图8是示出了为运行于空转状态的发动机改变喷射过程的持续时 间的效果的实验数据的描点图。
图9是对照NOx排放绘出了碳氢化合物排放的图表，其中不同的 线相应于为不同指令喷射脉冲波形收集的数据，其中用于该喷射过程 的开始的时序被改变以沿着每条所绘的线获得不同的点。本图示出了 对碳氢化合物和N0x的排放均具有显著效果的指令脉冲的波形。
图IO是另一个绘出了对照NOx排放的碳氢化合物排放的描点图， 但在此实施例中该指令脉冲为每个数据集采用了同样的波形。再次， 沿着被描绘出的线的不同的点示出了对用于开始每个喷射过程的时机 作改变的效果。不同的线相应于推进压力的改变。本图示出了降低推 进压力可导致较低排放。
图11是合并了燃料喷射脉冲、热释放速率和缸内压力的指令波形 的描点图的曲线图，所有描点图均对照曲柄角绘出，用于在当该发动 机处于高负荷条件的运行模式下以两个分立喷射脉沖而喷射的燃料。
图12是合并了燃料喷射脉冲、热释放速率和缸内压力的指令波形 的描点图的曲线图，所有描点图均对照曲柄角绘出，用于在当该发动 机处于适中负荷条件的运行模式下以持续阶梯形喷射脉冲而喷射的燃料。
图13是合并了燃料喷射脉冲、热释放速率和缸内压力的指令波形 的描点图的曲线图，所有描点图均对照曲柄角绘出，用于在当该发动 机处于适中负荷条件的运行模式下以持续四阶喷射脉沖而喷射的燃料。
图14是合并了燃料喷射脉冲、热释放速率和缸内压力的指令波形 的描点图的曲线图，所有描点图均对照曲柄角绘出，用于在当该发动 机处于高负荷条件的运行模式下以持续四阶喷射脉冲而喷射的燃料。
具体实施例方式
图1是以气体作燃料的内燃机的部分横截面图，示出了可用于实 施本方法的燃烧室的一个实施例。所示出的燃烧室是由汽缸10、可在 汽缸10内往复运动的活塞12和覆盖汽缸10的顶端的汽缸盖14所限 定的。燃料喷射阀20和点火设备30被安装在汽缸盖14之内，其相应的尖端伸入该燃烧室。该内燃机可以是具有多种期望数量的汽缸和排
量的直列式或v型设计的发动机。
活塞12可以与在同等的以柴油作燃料的发动机中采用的活塞基 本相同，且通常包括了燃烧室凹槽13。为示例目的，示出了燃烧室凹 槽13的一种简单形状，但本领域技术人员将能理解，也可采用其他形 状。例如，如图4所示，较小的发动机可以使用带有尖头脉冲(pip) 的燃烧室以促进用于增进混合的湍流。在燃料喷射过程中在汽缸充气 之内的湍流和漩涡也可以帮助在燃烧室内的空气-燃料混合物的迅速 形成。
燃料喷射阀20的尖端包括了一个气体燃料喷射喷嘴，带有多个燃 料喷射端口，通过它们将气体燃料直接引入燃烧室。燃料喷射端口中 的至少一个指向点火设备30的一个碰撞点。在所示的实施方案中，燃 料喷射阀20与燃烧室凹槽13的中心线对齐，并且优选地包括了介于 4个到12个之间的燃料喷射端口，而来自这样的燃料喷射端口的燃料 喷雾22的轮廓在图1中以虚线示出。燃料喷射端口之一的目的在于将 点火燃料喷雾22a导向点火设备30上的撞击点。
参见图2的放大的和更为详细的视图，点火设备30包括了点火器 32和套筒34,其中套筒34被设置在点火器32周围，以在点火器32 和套筒34的内表面之间提供一个屏蔽空间。在所示的实施方案中，该 屏蔽空间包括了 一个介于点火器32和套筒34的内壁之间的环形空间， 还包括了介于点火器32的自由端和套筒34的圆顶形闭合端之间的空 间。与方的或平的端相比，圓顶形的端是优选的，因为圆顶形提供更 好的结构强度，同时减少点火设备30伸入该燃烧室的程度。附图标记 33指示了图2中的屏蔽空间。碰撞点是位于套筒34的外表面上的一 个点，其接近于被设置为通过套筒34的至少一个进气开口 36。进气 开口 36和排气开口 38允许在屏蔽空间33和该燃烧室之间的气流互 通。在图2中所示的实施方案中，有两个进气开口 36。该开口区域和 进气开口 36相对于碰撞点的位置被设计为允许一定数量的气体燃料 进入屏蔽空间33，该一定数量的气体燃料足以点火并可导致燃烧室内 基本所有气体燃料的燃烧。实验已经示出，所示的带有两个进气开口 36的装置可以是有效的，其中每个进气开口具有介于0.8毫米到1.2
19毫米之间的直径。为两个进气开口和两个排气开口均4吏用0. 55毫米孔 直径的实验表明，该发动机是可运行的，但是该点火装置不那么有效。 人们认为较小的孔的效率可以通过增加开口的数量来增进。早期的实 验结果示出了，在两个1.2毫米直径进气开口的中心线之间的3毫米 的间隔产生了良好的燃烧与较低的碳氢化合物及N0x排放。更为新近 的测试结果已经示出了，对于1.2毫米直径进气开口，可以用介于2 到3毫米的从中心到中心的孔间隔来达到良好的燃烧和低排放，而碰 撞点居中地位于进气开口之间。计算性的流体动力分析可以用于进一 步计算进气开口尺寸、位置和数量。现在人们理解，将进气开口 36的 尺寸限定过小将不能允许足够数量的燃料进入屏蔽空间33,而将进气 开口的尺寸限定过大可能导致在屏蔽空间33和该燃烧室之间的流量 过多，其结果可能会包括对点火器32的过度冷却，在屏蔽空间33中 造成过度丰富的燃料混合物以及积聚压力降低，导致对被推入该燃烧 室的燃烧的空气-燃料混合物的广泛渗透过于减緩或减少。
关于某些活塞碗的设计，例如采用了尖头脉沖(pip)的活塞碗， 取决于点火设备30伸入该燃烧室多远，可以在相对于点火设备30的 活塞碗中形成一个凹坑，以防止在发动机运行过程中点火设备30与活 塞碗接触。
对于图2中示出的采用了 4个孔(36和38)的套筒设计，性能是以 该点火器的端部在屏蔽空间33中相对于进气开口 36的不同的位置来 衡量的。当点火器32的端部位于进气开口 36的中心线3毫米之内时， 可以达到更好的燃烧结果，而最好的结果是当该点火器32的端部位于 进气开口 36的中心线的1毫米之内或者与进气开口 36的中心线齐平 时达到的，如图2所示。
图3是从燃烧室内部观察的汽缸盖的平面图，假设该活塞被移去。 图4是沿图3中所示的剖面线观察的一个燃烧室的实施例的侧视图， 其可以与图3中的平面图配对。在本实施方案中，相应于在图1和图 2中的相似元件的元件由增加了 100的附图标记来表示。为了简便， 进气和排气阀门均未示出，但以喷射阀120和点火设备130在汽缸盖 区域的中部的配置，可以适应双阀门、三阀门和四阀门设计。
参考图3、图4和图4A，燃料喷射阀120包括了喷嘴121，喷嘴121带有燃料喷射端口 124。燃料喷射端口 124A被定向，以将点火燃 料喷雾122A导向点火设备130，其中点火设备130斜倾向喷嘴121。 选择位于汽缸盖114之内的点火设备130的位置，以使得通过燃料喷 射端口 124A引入的点火燃料喷雾具有介于3毫米和8毫米之间的自由 的喷雾长度，或者取决于燃烧室的尺寸为5%-10%的燃烧室凹槽直径。 如图3和图4所示，为了帮助将点火燃料喷雾122A与点火设备130对 齐，将点火设备130的中心线与喷射阀120的中心线相交是有好处的， 但是只要燃料喷射端口 124A的方向被导向以将点火燃料喷雾122A引 向期望的碰撞点，这些中心线就不需要相交了。引入该发动机的燃料 的数量取决于运行条件例如负荷，以及该负荷是静态的还是动态的(也 即、改变的)。试验结果示出，在预期条件下，在燃料喷射端口和碰撞 点之间的上述间距导致足够数量的气体燃料进入屏蔽空间133以形成 和该点火器接触的可燃的燃料-空气混合物。"足够数量的气体燃料" 此处被定义为一定数量的燃料，可导致在该屏蔽空间内形成可燃混合 物，该混合物是可点火的以产生燃烧的空气-燃料混合物，其可以脱离 该屏蔽空间并且在燃料喷射阀门喷嘴121周围的区域内点燃可燃的空 气-燃料混合物。参见图4，阴影区域IIO是围绕着燃料喷射阀喷嘴121 的区域，其中该燃烧的可燃空气-燃料混合物被导向该燃料喷射阀喷嘴 121。也即，排气开口 138被导向以使得从屏蔽空间133喷出的可燃空 气-燃料混合物将区域110中的燃料点燃。
如图4所示，燃料喷射阀120和点火设备130均安装在汽缸盖114 之内并从中伸出。点火器132被示为置于点火设备130的套筒134之 内。
轴线(axes) 122示出了通过燃料喷射端口 124将燃料喷雾引入 该燃烧室的方向，以举例方式示出，用于示出的燃烧室的几何形状的 适合的喷射角。如本领域技术人员所知，以此方式引入燃烧室的气体 燃料从轴线122扩散，随着燃料传播远离喷嘴121而更进一步地扩散。 轴线122意为仅仅示出燃料喷雾的中心轴线的喷射角。燃料喷射端口 124可以被导向以提供介于10°到25°之间的喷射角，该喷射角被选 择以在该燃烧室之内提供该气体燃料的均匀分布，其中该喷射角取决 于发动机的燃烧室几何形状。所选的喷射角是被选来优化燃料喷雾长度，同时将燃料喷雾对准燃烧室内的湍流区域的。对于改进的燃料分 布，通常优选为较长的燃料喷射长度。
图4A是喷嘴121和点火设备130的放大视图，不包括在图4中所 示的轴线122，以提供点火燃料喷雾122A的清晰无阻的视图。点火燃 料喷雾122A可以具有与其他燃料喷雾相比不同的喷射角。引入点火燃 料喷雾所经由的燃料喷射端口也可以置于喷嘴121的与其他燃料喷射 端口相比较低的平面[level]上。点火燃料喷雾122A的喷射角是由导 引点火燃料喷雾122A的方向所需的角度确定的，使得点火燃料喷雾 122A被导向该套筒表面上的一个碰撞点，以使得该点火燃料喷雾的主 要部分以和在该碰撞点与该套筒相切的平面垂直的轴线成小于或等于 25°角的喷雾方向流动。对于此处所述的目的，点火燃料喷雾的"主 要部分"被定义为当下述情况时沿着被导向为与一轴线成小于或等于 25°角的喷雾方向流动，其中该轴线与在碰撞点和套筒相切的平面垂 直，即在发动机运行中，每个喷射过程导致一定数量的燃料从该点 火喷雾进入该屏蔽空间，其足以形成可被点燃的可燃混合物，以将燃 烧的空气-燃料混合物推入燃烧室，在该燃烧室中，该空气-燃料混合 物在该燃料喷射阀周围的区域内点燃可燃的混合物。
为了将气体燃料直接引入接近于上死点的燃烧室，在高压下将该 气体燃料供给到燃料喷射阀120。例如，气体燃料可以用介于200巴 到300巴之间的压力来提供，其导致该气体燃料以高速被喷射入该燃 烧室。通过减少被引入以与该点火器接触的燃料的速度，来增进该气 体燃料的点火。当该气体燃料被导向套筒134以使得该燃料在其与表 面碰撞与沿套筒134表面垂直的方向流动时，由燃料撞击套筒表面造 成的动量改变被最大化，从而燃料速度的减少也被最大化。从而，在 最优选的实施方案下，该点火燃料喷雾被导向以使得该燃料的主要部 分以与在该碰撞点与套筒表面相切的平面垂直的方向流动(如图4A所
示)。然而，在某些情况下，由发动机燃烧室几何形状或汽缸盖设计 所施加的约束可能导致对于点火燃料喷雾的欠佳的导向，而且试验已 经示出，虽非最优选，点火燃料喷雾方向与垂直对齐方向成小于或等于 25度角也可以产生适合的可行实施方案。
参见图4A，人们相信点火燃料喷雾122A在向碰撞点传播的过程中夹带了一些空气，但是它也在该发动机活塞的进气和压缩冲程中与
流入屏蔽空间133的空气混合。人们也相信将点火燃料喷雾122A导向 碰撞点而不是直接对准进气开口 136，导致了混合的改进，以及冷却 效果的降低。
当可燃的空气-燃料混合物在屏蔽空间133内形成时，其接触该点 火器的热表面，并且被点燃。由于燃烧和在屏蔽空间133以及燃烧室 之间的受限流动，在屏蔽空间133内的压力迅速增加。提升的压力通 过至少一个排气开口 138将燃烧的空气-燃料混合物推入该燃烧室。在 所示的实施方案中，有两个排气开口 38和138，分别在图2和图4A 中，其中在图4A中只有套筒的一半被示出。
该排气开口与该进气开口间隔开，以使得排气开口可以被定向以 将燃烧的空气-燃料混合物对准燃烧室的区域110，以有效率地对由于 喷射过程所形成的该可燃空气-燃料混合物进行燃烧。排气开口距离该 碰撞点的间隔可以比进气开口更远。在优选的运行条件下，在燃烧的 空气-燃料混合物从屏蔽空间33、 133出现的同时，继续喷射过程，且 据信，排气开口距碰撞点的间隔降低了空气-燃料混合物与点火燃料喷 雾22a， 122A之间的千涉，其中空气-燃料混合物从点火设备30、 130 出现，而点火燃料喷雾22a， 122A被导向该点火设备30、 130上的碰 撞点。降低这样的干涉可以帮助产生非常短的点火延迟，其在该内燃 机的运行特性上具有积极效果。取决于燃料压力和燃料喷射阀设计， 为了喷射以能量计为等量的燃料，由于气体燃料较低的密度，与液体 燃料相比，可能要求以具有较长的持续时间的燃料喷射过程来喷射气 体燃料。从而，该进气和排气开口相对于该碰撞点的配置是很重要的， 因为在燃烧开始之后，燃料喷射阀20、 120可以继续将气体燃料喷射 入该燃烧室，因为该点火燃料喷雾不会与从排气开口推进的正在燃烧 的空气-燃料混合物的扩散发生明显干涉。在某些优选实施方案中，用 于燃料喷射过程的较长持续时间可以是有利的，因为那时，该空气-燃料混合物可被对准在燃料喷射阀喷嘴121周围的区域110，在此处 燃料喷雾被同时地喷射入该燃烧室。在这样的实施方案中，当在一个 发动机循环中采用单个燃料喷射过程时，燃料质量流速可被控制以使 得该点火延迟短于相应的喷射过程的持续时间。如示例实施方案所示，排气开口被置于进气开口下方。在所示实 施方案中，该碰撞点优选地距离该进气开口为等距，且可以是进气开
口之间的中点或沿着点火设备30、 130的中轴上的另一位置，其到进 气开口的距离比到排气开口要近。
以直接喷射入燃烧室中的气体燃料来运行内燃机的方法，需要在 气体燃料喷射阔上游的恒定的高燃料压力。如果该发动机将被用在车 辆中，有必要或希望提供车载高压燃料供给系统。图5示出了这样的 燃料系统的一个实施方案，该系统具有用于在高压下供给气体燃料的 设备，以及用于指令气体燃料喷射阀520的运行的电子控制器。
参见图5，示出了气体燃料供给系统的示意图。燃料喷射阀520 可以被压电的或磁致伸缩的作动器"直接地"作动，该作动器提供了 将阀门部件移位以开启和关闭该燃料喷射闹的动力。在直接作动的燃 料喷射阀中，作动器的指令运动导致阀门部件的开启或关闭该燃料喷 射阀的相应运动，以分别地开始或结束喷射过程。这样的作动器可被 指令为迅速且准确地向在关闭和完全打开的位置之间的中间点开启， 以在一个喷射过程期间控制质量流速，且在每个燃烧循环中允许多于 一个的喷射过程。也即，压电的和磁致伸缩的作动器可被控制以允许 "速率整形"，其意味着由该作动器在喷射脉沖的持续时间内导致的 位移的程度可以被控制，以调整在燃料喷射脉沖的持续时间内通过该 燃料喷射阀的流速。
在图5的示意图中，示出了气体燃料供给系统的主要部件。共轨 550是将高压气体燃料传送到多个燃料喷射阀的总管，在多汽缸内燃 机中，为每个燃烧室提供一个气体燃料喷射阀，用于将气体燃料直接 喷射入每个燃烧室。为了简化图5的示意图，仅仅示出了一个燃料喷 射阀520。
关于该燃料供应系统，继续在图5中所示的多缸发动机的实施例， 通过共轨550向气体燃料喷射阀520供给介于200巴~ 300巴之间的 气体燃料压力，其中该共轨550向每个气体燃料喷射阀供给高压燃料。 该气体燃料被存储在燃料存储罐552之中，并且以相应于在该燃料供 给系统中剩余的气体燃料数量的压力供给到该燃料供给系统之中。当 燃料存储罐552被充满到最大容量时，送入燃料供给系统的燃料压力将为高，且随着该燃料罐被清空，在燃料存储罐552中的压力降低。 如果气体燃料存储罐522被完全地充气，例如，以介于200巴到300 巴的压力，则控制器560从压力传感器562确定这一点，且控制器560 考虑在对压缩机554和压力控制设备556进行控制时的发动机运行条 件，以在期望的压力下向该喷射阀供给适当数量的气体燃料。如压力 传感器562所检测，随着更多的气体燃料被移去，压力也相应变得较 低，而控制器560在控制压缩机554和压力控制设备556的时候将这 一点纳入考虑。
所示的燃料喷射阀具有一个带有孔的喷嘴，这种喷嘴的类型为通 常和一个向内开口的针一同使用。本领域技术人员将能理解，向外开 口的针也是适合的，并且无论在哪种情况，燃料喷射阀的喷嘴都优选 地设有将燃料喷雾导入该燃烧室且将燃料喷雾之一朝向该点火设备上 的碰撞点对准的特征。
其他燃料供给系统也可以和燃料喷射阀520 —起使用，以实践本 方法。例如，液化的气态燃料供给系统包括了低温存储罐、燃料泵、 汽化器，以及相关的压力控制设备，其可替代图5中所示的压缩气体 燃料供给系统。
图6A和6B是示出了对照发动机速度绘出的发动机负荷的图表。 在图6A中，由该图所限定的该发动机的运行范围被分成两个区域。区 域601限定了低速度和低负荷运行范围，而区域602限定了相应于较 高的发动机负荷和/或发动机速度的运行范围。根据本方法，当该发动 机在区域601运行时，选择第一运行模式，且该燃料喷射岡被指令在 每个燃料喷射过程的持续时间内开启到一个基本恒定的幅度，导致了 该指令脉沖的方形或矩形的波形，例如图7A中所示的指令脉冲。当该 发动机在区域602运行时，选择第二运行模式，且该燃料喷射阀被指 令以开启到一个基本恒定的幅度，持续一段预定时间，且然后该燃料 喷射阀在被指令为关闭并借此结束该燃料喷射过程之前，被指令为开 启到一个更大的幅度。在该第二运行模式下，为每个燃烧循环采用单 个连续燃料喷射过程，且用于此指令脉冲的波形的实施例在图7B和图 7D中示出。
图6B示出了同样的方法，但是还包括了一个第三运行模式，当该发动机,皮指令为在不同于第二区域602'的第三区域603内运行时，选 择该第三运行模式。为区域601所选择的运行模式对于图6A和图6B 可以是相同的，且对于区域602和602、运行模式可以是相同的。第 三区域603是由运行条件所限定的，在该运行条件下该发动机速度和/ 或发动机负荷大于在该第二区域中的相同参数。在该第三运行模式下， 该燃料喷射阀被指令为，对于每个燃烧循环，在两个独立的喷射过程 中引入该气体燃料。该燃料喷射阀可被指令为，为第一喷射过程开启 到一个幅度，且为第二喷射过程开启到另一个幅度。第一喷射过程和 第二喷射过程的幅度可以是相同的也可以是不同的，如图7C所示的实 施例里的实线和虚线所示。图7E示出了用于对和区域603相关的第三
运行模式的燃料喷射过程的指令波形进行整形的另一个实施方案。在 图7E的实施方案中，在单个连续燃料喷射过程中，该燃料喷射阀被指 令为开启并且将该气体燃料引入，而对于三个不同的且以阶状的图案 逐渐增高的幅度，则关闭该燃料喷射阀且该阶被采用以减緩阀门针的 关闭速度。
图6C和6D,与图6A和6B相似，也是对照发动机速度示出发动 机负荷的曲线图。这些区域的尺寸和形状可以是不同的，取决于该发 动机的特性例如其尺寸、几何形状和可操作的变量。对于5.2升涡轮 增压和中央冷却的直列四缸发动机，图6C和6D示出了在发动机特性 曲线图上的优选运行区域，其用于选择"低负荷"运行模式，第二运 行模式。图6D示出了 "高负荷和高速度"运行模式。在图6A和图6B 的示例性实施例中，低负荷区域611比起区域601的尺寸要小得多。 在图6C中，该发动机的运行范围被分为两个区域，(如图6A所示)， 而在图6C中，低负荷区域611的尺寸较小，而因此当该发动机在第二 运行区域602中运行时，发动机负荷几乎总是较高，因为将发动机特 性曲线图分成区域611和区域612的线几乎是水平的。根据本方法， 当该发动机在区域611内运行时，选择了第一运行模式，且对于每个 燃料喷射过程的持续时间，该燃料喷射阀被指令为打开到一个基本恒 定的幅度，导致该指令脉沖的方形或矩形的波形，例如图7A中所示的 指令脉冲。当该发动机在区域612中运行时，选择第二运行模式，该 燃料喷射阀被指令为打开到一个基本恒定的幅度，持续一段预定时间，且然后该燃料喷射阀在被指令为关闭从而结束该燃料喷射过程之前， 被指令为打开到一个更大的幅度。在该第二运行模式下，为每个燃烧 循环采用单个连续燃料喷射过程，且用于此指令脉沖的波形的实施例
在图7B和图7D中示出。
图6D示出了分成三个区域的发动机特性曲线图，如图6B实施方 案所示，只是区域613的尺寸远小于区域603的尺寸。当该发动机在 第三区域603内运行时，该燃料喷射阀可被指令为对于每个燃烧循环 将该气体燃料在两个独立的喷射过程中引入，如图7C所示，或者可以 替代地采用如图7E所示的波形。
图7A到图7E的曲线图绘出了用于控制燃料喷射阀以在一个燃烧 循环中将燃料引入燃烧室的指令脉冲的幅度。在这些曲线图的垂直轴 上作出标记的该幅度，为不同种类的作动器代表了不同的单位。例如， 对于磁致伸缩作动器，幅度代表了导入线圏以产生磁场的电流。在另 一个实施例中，对于压电作动器，幅度代表了对压电元件施加的电压。 阀门针的运动通常与指令脉沖的幅度相关联，当指令较大幅度的时候 引入更多燃料。
图6A和6B的说明中，这些指令脉沖被描述为与不同的运行模式 相关联，其相应于由对照发动机速度绘出了发动机负荷的发动机特性 曲线图中的区域所限定的不同的运行条件。人们发现，可以采用不同
的策略来达到更好的整体燃烧特性，而不是在整个发动机特性曲线图 上采用单一燃料喷射策略来控制燃料喷射入燃烧室的时机和速率。此
外，在所公开的运行区域之内，采用特定的燃料喷射策略，多个与这 些指令脉冲相关的变量，例如喷射开始的时机，喷射过程的持续时间， 以及幅度，可随着发动机负荷和发动机速度的变化而调整，以进一步 改善发动机运行以达到期望结果，例如降低排放、较高热效率和较高 燃烧稳定性。
图7A是示出了方形或矩形指令脉冲的曲线图。该指令幅度代表了 发送到用于该燃料喷射阀的驱动器(driver)的指令信号。虽然阀门 部件的运动非常迅速，但它不是瞬时的，因此对照时间绘出阀门部件 的实际位移的线是倾斜的。此外，对于指令幅度，阀门部件运动的实 际幅度可以是可变的，取决于其他因素例如缸内压力，其也可以影响阀门部件的实际位置。图7A示出了当该发动机在区域601中在稳定状 态条件下运行时且选择该第一运行模式时，本方法所采用的指令脉沖
的通常的矩形波形，该指令脉冲的重要特性是在一个喷射过程中，该 指令幅度基本恒定。当该燃料喷射阀正被打开时，在该喷射过程的开 始的幅度可被指令为略高，而作动脉冲的总体波形保持基本为矩形。 该发动机控制器可被校准，以在该第一运行模式下以基本恒定的指令 幅度711运行，该幅度711大于或等于最小指令幅度，对于在整个区 域601内的相应运行条件，该最小指令幅度可以在该点火器周围形成 可燃的空气-燃料混合物。人们偏好较低的幅度，因为在区域601，与 该区域之外的运行点相比，燃料的数量相对较少，而发动机负荷通常 较高，对于在区域601中所需的较少燃料数量，较高的指令幅度导致 了燃料喷射过程较短的持续时间，其通常使得更加多变并且发动机运 行潜在地更不稳定。此外，如参照图8所示，经验结果示出了，在空 转状态，可以达到较低的排放，与2毫秒的喷射持续时间相比，其中 喷射持续时间介于3毫秒和5毫秒之间。如果在区域601内指令幅度 711被保持基本恒定，用于开始和结束该喷射过程的时机可被确定为 随着在区域601内的发动机速度的变化而改变，其中介于开始和结束 喷射过程之间的时间限定了 一个持续时间，其随着发动机负荷的增加 而增力口。
虚线712示出了该指令脉沖的持续时间可被调整以改变该喷射过 程的持续时间，以使得如果指令幅度711被保持基本恒定，则通过改 变该喷射过程的持续时间可以引入不同数量的燃料。
在本方法的另一个实施方案中，该发动机控制器可以被校准，以 为每个运行条件将指令幅度711改变到一个预定值。关于此实施方案， 对于给定喷射过程，指令幅度仍然基本恒定，但是指令幅度的值随着 区域601之内的运行点的变化而变化。也即，对于区域601中的每个 运行条件，该指令幅值大于或等于在长于预定时间的一段持续时间中 在该点火器周围形成可燃空气-燃料混合物的最低值。该预定时间设置 了一个限制，以防止该喷射过程的持续时间太短，因其可能导致增加 的可变性、不稳定的发动机运行以及排放增加，如上所述。虚线714 示出了与线711不同的幅度，通过举例方式示出了该指令幅度可被改变为取决于在区域601之内的运4亍条件的不同的预定值。该电子控制 器可以以多个幅度编程，其中用于该指令幅度的每个值都与区域601 内不同的运行条件相关。
在优选的实施方案中，对于恒定发动机速度，当选择第一运行模 式时，介于开始喷射过程和结束喷射过程之间的时间可以是基本恒定 的，其中指令幅度随着发动机负荷增加而增加，随着发动机负荷减少 而减少。再次，以举例方式，该指令幅度的改变由虚线714示出。此 外，对于当该发动机在区域601内运行时其中该幅度是可变的实施方 案，对于恒定发动机负荷，随着发动机速度从空转状态增加，只要该 喷射过程的持续时间维持在预定值之上，就有可能增加幅度并且减少 喷射过程的持续时间。
此外，用于开始图7A中所示的指令脉冲的时间可以被预定为随着 区域601之内的运行条件的变化而变化。通常，当该发动机在空转状 态或在空转状态附近运行，在第一运行模式下用于开始该喷射过程的 时机就是当该曲柄轴位于上死点之前介于9度到15度的曲柄角之间 时。
现在参见图7B，其示出了阶型的指令脉沖，该脉冲具有用于该第 一阶的较低的指令幅度721和用于该第二阶的较高的指令幅度722。 该发动机控制器可以被校准，以使得用于该第一阶的该指令幅度721 大于或等于针对由该第二运行模式限定的所有运行条件在点火器周围 形成可燃的空气-燃料混合物的最低幅度；或者，可为每种运行条件预 定和校准用于该第一阶的该指令幅度，使之大于或等于在该点火器周 围形成可燃的空气-燃料混合物的最低幅度。在第一阶的幅度721上方 的虚线示出了该第一阶的幅度可以随着发动机负荷和/或发动机速度 的变化而被提升。取决于燃料喷射阀的设计，可能期望限制该第一阶 的幅度。人们发现对于某些喷射阀，如果该第一阶具有高于预定值的 幅值，这就会对阀门部件施加压力，该压力降低了阀门部件的耐久性。 在区域602和602'中也期望阶形的波形，因其对于减少被引入该燃烧 室中并且在点火开始之前与进气预混合的燃料的量是理想的，因为过 多的预混合可以导致较高的未燃烧的碳氢化合物的排放。
第二阶的幅度722可以等于或接近于该喷射阀的最大可指令幅度。虚线723、 724和725示出了为区域602、 602'采用的指令脉沖的 波形可以以多种方式操纵，以改变引入该燃烧室的燃料的质量数量， 因其可随着在区域601、 601'中的位置的变化而变化来^L预定。具体 地，虚线723示出了该喷射过程的持续时间，且具体上该第二阶可被 延长。虚线724示出了，若第二阶的幅度尚未处于最大可指令幅度， 可增加其幅度。虚线725示出了用于启动第二阶的时机可以提前，同 时相应地减短该第一阶的持续时间。
下文将讨论的实验数据，示出了与其他阶形指令脉冲相比，对该
阶形指令脉冲的特定操作可以提供明显较好的结果。用于开始该喷射 过程的时机也影响了燃烧特性和发动机性能，而用于开始每个喷射过 程的预定时机可以^皮分配给每个预定运^f亍区域内的每个运4亍条件。例 如，在运行区域602， 602'之内，本方法包括了当该曲柄轴位于上死 点之前介于ll。到36°的曲柄角之间时，指令该喷射阀以开始该喷射 过程。
带有在模式6下运行的发动机的试验，被引导为确定改变参数的 结果，例如开始该喷射过程的时机和用于该第一阶和第二阶的持续时 间。对于每种运行条件，可以进行同样的试验，以确定可被用于校准 该发动机控制器的预定参数。在模式6，包括了多个重要参数(i)当 该曲柄轴位于在上死点之前介于22°到30°曲柄角之间时，指令该喷 射过程开始；(ii)为该第一阶指令介于大约2.4毫秒和大约3.7毫秒 之间的持续时间，且更优选地为大约3. 7毫秒；(iii)当该活塞位于上 死点之后时，且更优选地当该曲柄轴位于上死点之后介于大约2°到 大约15°之间的曲柄角时，提升该指令幅度到该第二阶；(iv)为该第 二阶指令一个介于大约0. 6和大约1. 0毫米之间的持续时间，更优选 地为大约0.8毫秒，且(v)为该第二阶指令等于或接近于该喷射阀的最 大可指令幅度的幅度。
现在参见图7C，其示出了当该发动机被指令为在区域603内运行 时可采用的指令脉冲，从而对于每个燃烧循环，在两个独立的喷射过 程中向燃烧室引入该气体燃料。对于该指令脉沖，对于第一喷射过程， 该燃料喷射阀被指令为打开到幅度731,对于第二喷射过程，该燃料 喷射岡被指令为打开到幅度732。幅度731可以大于幅度711和721,
30而在本方法的某些实施方案中，幅度731可以是该燃料喷射阀的最大 可指令幅度。幅度732可以大于或等于幅度731，且在某些实施方案 中，幅度732被固定为等于或者接近于该燃料喷射阀的最大可指令幅 度。在本方法的其他实施方案中，当该发动机在最大额定功率或接近 最大额定功率下运行时，幅度732可以是最大可指令的幅度，而对于 恒定发动机速度的情况，该幅度可以随着发动机负荷的变化而改变， 例如，如虚线733所示，对于较低的发动机负荷采用较低的幅度。变 化的幅度732允许了在优化发动机性能上的更多的灵活性，例如，为 了减少排放、增加热效率或改进燃烧稳定性，但是使用更为简单的控 制策略，其为该第二喷射过程采用了等于或接近于最大可指令幅度的 基本恒定的幅度，也可以达到令人满意的结果。关于两种方法中的任 何一种，当该发动机以等于或接近于最大额定功率运行时，该第二喷 射过程的幅度均可以是用于该燃料喷射阀的最大的可指令幅度。
该方法还可以包括通过减少喷射过程之一的持续时间，来减少引 入该燃烧室的燃料的质量数量。当该发动机在最大额定功率下运行或 接近最大额定功率运行时，该第二喷射过程可以具有大约2毫秒的持 续时间，且当该发动机在小于或等于大约75%的最大额定功率下运行 时，此持续时间可以^皮减少到大约1. 8毫秒。
当该发动机在区域603内以用于恒定发动机负荷的图7C的指令脉 冲运行时，该方法可以包括随着发动机速度的变化而改变用于开始该 第一喷射过程的时机，从而随着发动机速度的降低，指令用于开始该 喷射过程的时间在该燃烧循环的晚些时候发生，而介于该第一喷射过 程和第二喷射过程开始之间的相对时间保持基本恒定。当第一喷射过 程的持续时间为大约0.4毫秒，且介于第一喷射过程的结束和第二喷 射过程的开始之间的时间介于大约0. 3毫秒和大约0.4毫秒之间时， 可以达到良好的结果。
由于缸内压力会影响通过该燃料喷射阀控制质量流速的阀门部件
的位置，该方法还可以包括随着缸内压力的变化而调整该指令幅度， 从而对于向内开口的岡门部件，该指定幅度随着缸内压力的减少而增 加。虽然随着缸内压力的增加而减少指令幅度可能是违反直觉的，人 们相信，对于向内开口的阀门部件，较高的缸内压力帮助将该阀门部件提升，更远地离开阀门座，从而对于恒定指令幅度，实际的阀门部 件提升随着缸内压力的增加而增加。
现在参见图7D,其示出了当该发动机被指令为在区域602和60〃 中运行时可采用的指令脉沖，借此在单个喷射过程中为每个燃烧循环 引入该气体燃料，但是以三种指令幅度而不是以如图7B中的实施方案 所示的两种指令幅度。对于此指令脉冲，该燃料喷射阀被指令为，为 该喷射过程的第一阶段打开到幅度741，为该喷射过程的第二阶段打 开到幅度742，而最终为该喷射过程的第三阶段打开到幅度743。在所 示实施方案中，幅度742小于幅度741和743，且在本方法的某些实 施方案中，幅度743可以是用于该燃料喷射阀的最大可指令幅度。此 方法的优势并不显著，尤其是因为以较高幅度开始喷射过程会导致在 点火延迟中引入过多的燃料，这会导致较高的未燃烧碳氢化合物排放。 然而，通过分析实验数据，已经确定即使在幅度上的小量增加，也可 以帮助产生该阀门针的更为稳定的用于开启该喷射阀的运动，从循环 到循环和从汽缸到汽缸都具有更少的变化。例如，对于带有磁致伸缩 作动器的喷射阀，其中作动是通过指令该电流到介于0到33安培之间 的电线圏中来控制的，幅度741可以比幅度742高一点，大约O. 5安 培，以达到更为稳定地运行的某些益处。当该发动机在图6A和图6B 中的区域601中的稳定状态条件下运行时，也可以采用类似的策略。 虽然指令幅度的波形可以保持基本恒定，且指令波形基本是矩形，该
指令幅度可以以稍高的幅度开始，以增进运行的一致性并从而降低可 变性因素[coefficient]。
被指令到阀门作动器的电流的范围取决于燃料喷射阀、其作动器 和用于从该作动器向该阀门针传递作动力的机构的设计，其中某些设 计与其他设计相比需要较高的电压和较高的电流。
现在参见图7E，其示出了当该发动机被指令为在区域603之内运 行时可采用的指令脉冲，其中对于每个燃烧循环，该气体燃料以一单 个喷射过程被引入该燃烧室但却具有至少三个指令幅度，而不是如图 7C的实施方案所示以两个分离的喷射过程被引入。对于此指令脉沖， 该燃料喷射阀被指令为在该喷射过程的第一阶段打开到幅度751,然 后在该喷射过程的第二阶段打开到幅度752，接着在该喷射过程的第三阶段打开到幅度753。在所示的实施方案中，指令幅度751小于指 令幅度752,依次地，指令幅度752小于指令幅度753。在本方法的某 些实施方案中，幅度753可以是用于该燃料喷射阀的最大可指令幅度。 在第一阶段中较低的幅度减少了在点火延迟中引入的多余燃料，同时 引入了足以点火的燃料。在第二阶段中，以较高流速引入燃料，以支 持稳定燃烧，且在该第三阶段，该幅度被指令为更高，以产生高速燃 料喷射，来增进混合以及增进热效率。对于采用了当没有从零幅度指 令到最大可指令幅度或从零幅度指令到高于预定阈值的幅度时更为持 久耐用的燃料喷射阀的系统，替代图7C中的双脉冲而使用本方法是有 利的。也即，对于某些燃料喷射阀，在该作动器和该阀门针之间传递 作动力的机构的物理设计，对于运行并非有益，因其需要该阀门针做 大量的即刻位移，且在图7E中示出的方法可以通过指令该幅度以阶跃 形式增加来增进耐久性。
图7A示出了矩形或"一阶"波形，图7B示出了 "两阶"阀门打 开波形，而图7E示出了 "三阶"阀门打开波形。虽然未示出，但是可 以理解，在不脱离本发明的宗旨和范围的前提下，可以指令更多阶以 使得幅度的变化更为和緩。此外，如图7E中的幅度754所示，在该指 令幅度中的降低的阶可被添加到该喷射过程的末尾，以帮助降低阀门 针的关闭速度，从而减轻阀门针对于阀门座的沖击。在先前阶段中的 其他阶的幅度和/或持续时间可被适当地调整，以使得引入的期望数量 的燃料保持基本不变。例如，当该幅度被指令为从高于预定阈值的值 降到0时，下降的阶可被纳入该指令策略之中。以此指令策略，如果 幅度753小于该预定阈值，则不需要中间阶。在图13和图14所示的 实施例中，在下降的幅度中的中间阶的持续时间是以大约5°曲柄角 为数量级的，且一旦该阀门针被指令为从一个大于约13安培的幅度关 闭，就指令一个中间阶。
现在参见图8，本图针对在接近空转状态运行的发动机N0x排放 绘出了测量的一氧化碳排放实验数据。从而，以简单矩形指令脉沖来 选择该第 一运行模式。为此数据而改变的变量包括了喷射过程的持续 时间，以及围绕该火花塞的套筒中开口的特性。在该图上半部分被绘 制为圆圏的数据点相应于为具有2毫秒持续时间的喷射过程测量的结果。该三角形示出了当喷射过程的持续时间被设为3毫秒时测量的结 果，而该方形示出了当该持续时间被设为4毫秒时测量的结果。该菱 形波形示出了当喷射过程的持续时间被设为5毫秒时测量的结果。在 套筒之中的孔开口的特性的改变是数据点分散的原因。围绕该火花塞 的不同的套筒被测试，以确定改变在该进气开口之间的间隔的效果， 以及改变进气孔和排气孔的直径的效果。对在1. 7mm、 2mm、 2. 5mm和 3mm的孔之间的间隔作测试，人们发现介于2毫米到3毫米之间的圆 心到圓心间隔是有效的。0. 8mm、 lmm、 1. 2mm和1. 4mm的孑L直径均被 测试。图8示出了，当该发动机处于空转状态，将持续时间设置到介 于3毫秒和5毫秒之间，与设置到2毫秒相比具有明显优势。
图9是对照N0x排放绘出了碳氢化合物排放的曲线图，用于从在 模式6下运行的发动机收集的数据。人们希望减少这两种排放，且趋 势线920示出了该指令脉冲的波形可以帮助达到此结果。线910代表 了在3.5毫秒持续时间内以矩形指令脉沖测量的数据。沿着线910的 点相应于以不同时机用于喷射开始的指令脉冲的测量值。线的左侧， 记录了较高的碳氢化合物排放，其相应于在燃烧循环中晚些时候发生 的喷射开始；而在线的右侧，当喷射开始发生在该燃烧循环的早些时 候，测量到了较高的N0x排放。如线912、 914和916所示，对于该指 令脉沖波形，观察到与开始喷射的时机相关的类似效果。
线912、 914和916均来自图7B中所示的总体波形中的阶状指令 脉冲，但是显著不同的结果示出了，在阶状波形的特性中的改变可以 对发动机排放产生可观的影响。对于线912,第一阶的持续时间是2.7 毫秒，而对于线914,第一阶的持续时间是3. 2毫秒，而对于线916, 第一阶的持续时间是3. 7毫秒。该第一阶的幅度从线912直到线916 逐渐地减少。对于这些线中的每一条，调整该第二阶的幅度，以维持 负荷并将在每种情况下的第二阶的持续时间维持在0.8毫秒。趋势线 920示出了，在模式6，具有低幅度的较长的第一阶的指令脉冲波形， 与具有相对短持续时间和较高幅度的指令脉冲波形相比，产生了较低 的排放。
图10是另 一个对照N0x排放示出了碳氢化合物排放的曲线图，其 中数据点收集自关于在模式6下运行的发动机进行的测试，其中该指令波形具有如图7B所示的阶状波形。在此实施例中，为每个数据集采 用了用于该指令脉沖的同样波形。第一阶的持续时间是3. 7毫秒，而 第二阶的持续时间是0.8毫秒。再次，沿着绘出的线的不同点示出了 改变每个喷射过程的时序的效果。这些不同的线来自由于推进压力改 变而产生的数据点。线1010相应于当该喷射压力是12OkPag的时候测 量的数据点。对于被测发动机，在模式6， 120kPag是最大推进压力。 对于线1012，该推进压力被限制到95kPag。当该推进压力被限制到 65kPag时(线1014)，可以达到在减少碳氢化合物与NOx排放方面的 较好的结果，而当该推进压力被限制到45kPag时(线1016),可以 达到更好的结果。再次，观察到一种趋势，可以通过减少推进压力来 减少排放。增加推进压力的效果就是更多的氧气被引入该燃烧室，而 这通常被认为是有益的，对增进燃烧稳定性有好处。在由区域602'限 定的中等负荷范围，将气体燃料直接喷射入燃烧室，在该燃烧室中就 会有充足的氧气，这就使得有可能减少推进压力。从而，图IO示出了 当第二运行模式被选择时，在模式6，为了减少碳氢化合物与NOx的 排放，将推进压力限制到小于65kPag是有益的。
在该被测发动机中，在模式6下，120kPag的推进压力相应于3. 7 的空燃比(入)，而65kPag的推进压力相应于2.7的空燃比。从而，在 模式6，为了减少碳氢化合物和NOx的排放，人们期望以小于2.7的 空燃比运行。当该发动机在该第三运行模式下运行时，在较大的负荷 与速度条件下，相应于图6B中的区域603，为了以良好燃烧稳定性增 加功率和效率，该方法还可以包括在用于该发动机的进气系统中指令 一个推进压力，以使得该空燃比介于大约1. 4和大约1. 5之间，且优 选地为大约1. 5。
图11和图12被并排示出，因为它们比较了双脉沖喷射策略和阶 喷射策略的结果。该曲线图结合了用于该燃料喷射脉沖的指令波形、 热释放速率以及缸内压力的描点图，均对照曲柄角角度绘出。在图11 和图12中，每种情况下均注入了同样数量的燃料，其中该发动机在 2700RPM的速度下运行。以图ll的双脉冲策略，该发动机以32%的热 动力效率产生了 120KW功率。以图12的阶喷射策略，该发动机以27% 的热动力效率产生了 98KW功率。总体上，在双脉沖策略中，50%的燃料在上死点之后大约15. 5°曲柄角处燃烧，与阶喷射策略的在上死点 之后大约23. 1。曲柄角处相比，达到了更好的结果。对于这两种策略， 燃烧稳定性均佳，且基本相同，其中双脉冲策略的COV IMEP是大约 1.9%，而阶喷射策略的COV IMEP是大约1.6%,其中COV指的是变化 系数，且COV IMEP是通过取IMEP的标准偏差并且将其除以平均IMEP 来计算的。从而，这些测试的结果示出了，采用如图6B所示将该发动 机的运行范围分成三个区域的策略是有好处的，其中当该发动机在区 域603中运行时，指令双脉沖喷射策略。
图13和图14是与图11和图12相似的曲线图，因为它们均示出 了经整形的燃料喷射脉沖的指令幅度、热释放速率和缸内压力的指令 波形的合并描点图，均对照曲柄角绘出。不同点之一是，与用于收集 在图11和图12中绘出的数据的燃料喷射阀相比，对于在图13和图 14中绘出的数据使用了不同设计的燃料喷射阀。图13和图14的燃料 喷射阀是由更宽范围的电流所驱动的，因为它使用了具有不同电线團 和较长磁致伸缩棒的驱动器。与在图13和图14中绘制的数据相关联
的燃料喷射岡也使用了在该作动器和该阀门针之间的不同的传动机 构， 一种不同的弹簧力[spring force]以预压缩该作动器并且将该针 偏压至该关闭位置，且该燃料喷射闹的阀门针和内部喷嘴几何形状也 不同。本领域技术人员将理解，不同尺寸的燃料喷射阀与不同设计的 同样尺寸的燃料喷射阀以及不同尺寸的发动机，均可采用用于将气体 燃料直接引入发动机的燃烧室的本控制策略，并且在实施该控制策略 的过程中，尽管作动特定燃料喷射阀所需的安培范围取决于相关的燃 料喷射阀配件的设计，由本控制策略所限定的同样形状可被应用于任 意的和所有的燃料喷射阀，只要它们可被运行以在单个喷射过程位置 中指令该阀门针到不同的幅度，和/或被足够快地运行以在每个发动机 循环允许多于一个燃料喷射脉沖。使用磁致伸缩作动器的实施例可以 用所需的运行特性来设计，以控制实现该控制策略所需的该阀门针的 运动，但是如此处所述，也可以采用具有同样功能的其他应变型作动 器，例如使用压电元件的作动器。
参见图13，所绘出的数据是从以1300RPM运行的4缸发动机收集 的，以热动力效率24%对于发动机负荷52Nm产生了 7. 2kW功率。这些运行条件相应于用于此发动机的中等负荷运行模式。该指令脉沖的变
化范围从0到大约15安培，具有四个不同的指令幅度。当该燃料喷射 阀被打开时，该第一片段在该上死点之前大约22°曲柄角处开始，且 大约11安培的电流被送到该线圈，直到达到上死点之前大约17°或 18°曲柄角为止。在该第二片段，该电流被降低约1安培至0. 5安培 到大约10安培，直到达到上死点之后大约4°到5。曲柄角为止。在 该第一片段中的略高的幅度使得阀门针开启运动更为稳定，还使得从 循环到循环和从汽缸到汽缸的变化减少。对于该第三片段，该电流被 增加到大约15安培，直到达到上死点之后大约10°曲柄角为止。为 了减少该阀门针关闭运动的突然性，在该第四片段中，在通过将该电 流降低到Q而关闭该燃料喷射阀之前，将电流降低到介于7安培和8 安培之间，持续几个曲柄角角度，以使得该阀门针可以返回其座落位 置。以此四片段控制策略，在上死点之后大约1°曲柄角处测量到峰 值缸内压力为大约50巴。该热释放速率示出了，在该曲柄轴转到该上 死点之后大于15。之前，大部分燃料在该做功冲程的早期被消耗了。 该热释放速率还示出了在这个中等负荷的运行模式中，在上死点之前 大约10°曲柄角处开始燃烧，且大部分燃料是在燃烧开始之后引入该 燃烧室的。
参见图14，所绘出的数据收集自用于收集图13中的数据的同一 个四缸发动机，除了在图14中绘出的数据之外，该发动机以2400RPM 运行，同时以36%的热动力效率对于505Nm的发动机负荷，产生126kW 的功率。这些运行条件相应于用于此发动机的高负荷运行模式。该指 令脉冲的变化范围是从O到大约24安培，具有四个不同的指令幅度。 该第一片段开始于上死点之前大约24°曲柄角，当该燃料喷射阀被打 开且将介于约12到14安培之间的电流送至该电线圏，直到达到上死 点之前大约17。曲柄角为止。在该第二片段中，该电流被增加到大约 19安培，直到达到上死点之前大约5°曲柄角为止。对于该第三片段， 该电流被增加到更高的幅度，大约24安培，直到达到在上死点之后大 约IO。曲柄角为止。为了减少阀门针关闭运动的突然性，在该第四片 段中，在通过将该电流降至0以关闭该燃料喷射阀之前，电流被减少 到大约8安培，持续约4或5度曲柄角角度，从而该阀门针可返回到其座落位置。以此四段控制策略，在上死点之后大约8°曲柄角处测 得最高缸内压力为大约132巴。热释放速率示出了在曲柄轴旋转到上 死点之后大于15°之前，该燃料的大部分是在做功冲程的早期消耗的。 该热释放速率也示出了，在此被测高负荷运行模式下，在上死点之前 8°曲柄角左右开始燃烧，且大部分燃料在燃烧开始之后被引入该燃烧 室。
虽然本发明的具体要素和实施方案已被示出和描述，当然，可以 理解，本发明并不仅限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公 开内容的前提下作出修
权利要求
1. 一种用于运行内燃机的方法，包括至少一个燃烧室，该燃烧室是由如下所述限定一个汽缸，一个活塞，可在所述汽缸内往复运动，一个汽缸盖，覆盖了所述汽缸的一端，一个活塞杆，将所述活塞连接到曲柄轴，使得所述曲柄轴通过所述活塞的往复运动成为可转动的，一个燃料喷射阀，具有置于所述至少一个燃烧室内的喷嘴端，用于将气体燃料直接喷射入所述至少一个燃烧室，以及一个作动器，用于所述燃料喷射阀，该燃料喷射阀可被操作为改变在喷射过程中用于阀门针升程的指令幅度，并且将作动脉冲的波形从一个燃烧循环变到另一个燃烧循环，该作动脉冲的波形是由所述指令幅度对照时间绘出的，所述方法包括从至少两个随着发动机负荷和发动机速度而变化的预定运行模式中选择一个，其中当所述发动机被指令以在相应于低负荷和低速度范围的第一区域内运行时，选择第一运行模式，而当所述发动机被指令以在一个不同于所述第一区域的第二区域内运行时，选择第二运行模式，所述第二区域相应于与所述第一区域相比较大的负荷范围和较大的速度范围中的至少一个；以及为每个燃烧循环向所述作动器指令所述至少一个作动脉冲，以打开所述燃料喷射阀，并且将所述气体燃料引入所述至少一个燃烧室，其中在所述第一运行模式下，所述至少一个作动脉冲具有基本矩形的波形，而在所述第二运行模式下，所述至少一个作动脉冲包括至少两个限定波形的片段，其中第一片段的指令幅度小于在该第一片段之后出现的第二片段的指令幅度的90％。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第一运行模式被选择 时，所述方法进一步包括，将该作动脉沖整形为以一个开头片段开始， 所述开头片段在所述阀门针被升到一个打开位置时结束，其中在所述 开头片段持续时间内的所述指令幅度比所述作动脉沖的剩余部分的所述指令幅度高5%到10%。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第二运行模式被选择 时，所述方法还包括通过将所述作动脉沖整形为以一个开头片段开始， 所述开头片段在所述阀门针被升到一个打开位置时结束，其中在所述 开头片段持续时间内的所述指令幅度比所述第一片段的所述指令幅度 高5%到10%。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括当所述第一运行模式被选 择时，将所述作动脉沖指令为具有介于3毫秒到5毫秒之间的持续时间。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第一运行模式被选择 时，所述作动脉沖具有一个幅度，其足够高以将足够数量的所述气体 燃料引入所述至少一个燃烧室以在所述点火器周围形成可燃的空气-燃料混合物，用于由所述第一运行模式限定的运行条件，且所述作动 脉沖也具有至少3毫秒的持续时间。
6. 根据权利要求1所述的方法，当所述第一运行模式被选择时， 对于恒定发动机速度，介于开始和结束所述作动脉沖之间的时间是基 本恒定的，且所述方法还包括随着发动机负荷增加而增加所述指令幅 度。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第一运行模式被选择 时，所述方法还包括当所述曲柄轴位于上死点之前介于9°到15°曲 柄角之间时，开始所述作动脉冲。
8. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述指令幅度随着缸内 压力的变化而调整，从而所述指令幅度随着缸内压力的减少而增加。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述发动机在所述第二运 行模式下运行时，所述方法还包括，当所述曲柄轴在上死点之前介于 11°到36°曲柄角之间时，指令所述作动脉沖开始。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第二运行模式被选 择且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括把在用于所述 发动机的进气系统之中的推进压力限制到小于120kPag。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第二运行模式被选择 且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括把在用于所述发动才几的进气系统之中的推进压力限制到小于6 5kPag。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述发动机被指令为在稳 态条件下在模式6下运行且所迷第二运行模式被选棒时，所迷方法还 包括了对进气系统中的推进压力进行限制以使得k小于2. 7。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第一运行模式或所 述第二运行模式被选择时，所述方法还包括了控制喷射时机与指令幅 度两者中的至少一个，以将参考发动机特性曲线图确定的预定数量的燃料引入；并且 在燃烧开始之后结束所述喷射过程。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中对于每个喷射过程，所述 气体燃料的大部分在燃烧开始之后被引入所述燃烧室中。
15. 根据权利要求13所述的方法，还包括了随着发动机速度的变 化而控制用于开始所述喷射过程的时机，并且增大在上死点之前的曲 柄角度数，以随着发动机速度升高而控制所述喷射过程开始的时机。
16. 根据权利要求1所述的方法，其中当所述第二运行模式被选择 时，所述第一片段的持续时间长于所述第二片段的持续时间。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中当选择所述第二运行模式且 所述作动脉冲包括了在指令所述指令幅度到0之前将所述幅度指令到 一个高于预定阈值的峰值幅度时，将所述幅度指令到一个介于峰值幅 度和0之间的中间幅度。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述指令幅度在小于10° 曲柄角的持续时间内被保持在所述中间幅度。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中所述指令幅度在介于3° 到7°曲柄角之间的持续时间内被保持在所述中间幅度。
20. 根据权利要求1所述的方法，还包括了当所述发动机被指令为 在不同于所述第二区域的第三区域中运行时，选择一个第三运行模式， 与该第二区域相比，所述第三区域相应于较大的负荷范围和较大的速 度范围中的至少一个，并且在所述第三运行模式下，对于每个燃烧循 环，所述方法还包括了在两个分别的喷射过程中引入所述气体燃料。
21. 权利要求20的方法，其中当所述发动机在所述第三运行模式 下运行时，对于恒定发动机负荷，所述方法还包括了随着发动机速度的变化而改变用于开始所述第一喷射过程的时机，从而随着发动机速 度降低，用于开始该第一喷射过程的时机被指令为在该燃烧循环的晚 些时候发生，介于所述第一喷射过程的开始和所述第二喷射过程的开 始之间的相对时间保持恒定。
22. 根据权利要求20所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择时，所述方法还包括了为第一喷射过程指令0. 4毫秒的持续时间。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中介于所述第一喷射过程结 束和所述第二喷射过程开始之间的时间介于0. 3毫秒到0. 4毫秒之间。
24. 根据权利要求20所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括把在用于所述 发动机的进气系统之中的推进压力限制到介于100kPag和120kPag之 间。
25. 根据权利要求20所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括把推进压力限 制到小于100kPag。
26. 根据权利要求20所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括了在用于所述 发动机的进气系统中指令一个推进压力，以使得k介于1.4和1. 5之 间，且更优选地是1. 5。
27. 根据权利要求1所述的方法，还包括了当所述发动机被指令为 在不同于所述第二区域的第三区域内运行时，选择一个第三运行模式， 所述第三运行模式相应于与所述第二区域相比的较大负荷范围和较大速度范围两者中的至少一个，且在所述第三运行模式中，对于每个燃 烧循环，所述作动脉冲包括至少三个具有显著不同的幅度的片段，其 中第一片段具有低于第二片段的指令幅度，该第二片段出现在该第一 片段之后，且该第二片段具有低于第三片段的指令幅度，该第三片段 出现在该第二片段之后。
28. 根据权利要求27所迷的方法，其中当所述第三运行模式被选 择且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括把在用于所述 发动机的进气系统之中的推进压力指令到介于100kPag和120kPag之 间。
29. 根据权利要求27所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择且所述发动才几在稳、态条件下运4亍时，所述方法还包括把推进压力限 制到小于100kPag。
30. 根据权利要求27所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择且所述发动机在稳态条件下运行时，所述方法还包括了在用于所述 发动机的进气系统中指令一个推进压力，以使得l介于1.4和1. 5之 间，且更优选地是1.5。
31. 根据权利要求27所述的方法，其中当所述第三运行模式被选 择时，所述方法还包括了控制喷射时机与指令幅度两者中的至少一个， 以将参考发动机特性曲线图确定的预定数量的燃料引入；并且 在燃烧开始之后结束所述喷射过程。
32. 根据权利要求31所述的方法，其中对于每个燃烧循环，所述气体燃料的大部分在燃烧开始之后净皮引入该燃烧室。
33. 根据权利要求31所述的方法，还包括了随着发动机速度的变 化而控制用于开始所述喷射过程的时机，并且增大在上死点之前的曲柄角度数，以随着发动机速度升高而控制所述喷射过程开始的时机。
34. 根据权利要求27所述的方法，其中当选择所述第三运行模式 且所述作动脉沖包括在指令所述指令幅度到0之前将所述幅度指令到一个高于预定阈值的峰值幅度时，将所述幅度指令到一个介于峰值幅 度和G之间的中间幅度。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述指令幅度在小于10° 曲柄角的持续时间内被保持在所述中间幅度。
36. 根据权利要求34所述的方法，其中所述指令幅度在介于3° 到7°曲柄角之间的持续时间内被保持在所述中间幅度。
37. 根据权利要求27所述的方法，其中所述第二片段的所述指令 幅度比所述第一片段的所述指令幅度高10%还多，且比所述第三片段 的所述指令幅度低10%还多。
全文摘要
一种将气体燃料喷射入内燃机的方法，包括了选择两种预定运行模式之一随着发动机负荷和发动机速度的变化而变化。该发动机包括了一个燃料喷射阀，具有一个作动器，用于改变指令幅值以在喷射过程中升程阀门针，并且用于从一个燃烧循环改变到另一个燃烧循环，作动脉冲的波形是由指令幅值对照时间而绘出的。在该第一运行模式中，该第一运行模式相应于低负荷和低速度范围，该作动脉冲具有矩形波形。在该第二运行模式中，该第二运行模式相应于较高负荷和较高速度范围两者中的至少一个，该作动脉冲包括至少两个限定波形的片段，其中该第一片段的指令波形小于后继的第二片段的指令波形的90％。
文档编号F02D19/02GK101443540SQ200780016976
公开日2009年5月27日 申请日期2007年4月26日 优先权日2006年5月8日
发明者J·克劳福德, K·R·C·曼 申请人:西港能源有限公司