专利名称：一种直喷式汽油发动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及减少直喷式汽油发动机的颗粒物排放。
背景技术：
已经发现,在联邦测试程序(Federal Test Procedure)的开始500秒期间(即当发动机还没有升温时)直喷式汽油发动机排放颗粒物。颗粒物被认为是由于燃料直接接触燃烧室的表面而形成的，并且特别是直接接触活塞顶(尤其是如果它们是油冷式的)，这是由于活塞顶比气缸壁和气缸盖升温更加缓慢。
发明内容由于在起动发动机之前对燃烧室进行预加热是复杂的且耗能高的，因此，根据本 实用新型的一个实施例，燃料被加热，使得其在被导入燃烧室时更容易蒸发，从而，当燃料喷流从喷射器离开足够远的距离时，很少或没有燃料在液体形式下碰撞燃烧室表面。公开的一种直喷式汽油发动机具有燃料轨、联接至燃料轨并将燃料供应至发动机气缸内的燃料喷射器。所述发动机还具有发动机冷却剂回路，该发动机冷却剂回路包括水泵来使得冷却剂循环经过发动机内的水套。设置有从冷却剂回路到燃料轨的分支。在一个实施例中，所述水套的、接近排气端口和通向气缸外的排气管的部分联接至水套的通向燃料轨的分支。由于排气部分附近的水套内的冷却剂在发动机的冷起动期间更快速地被加热，所以燃料轨将在冷起动期间被快速地加热。发动机冷却剂通常由水、乙二醇和添加剂的混合物构成。术语冷却剂和水在本实用新型用于指代冷却剂回路中使用的任何适当液体混合物。在一些实施例中，在燃料轨内设置电加热元件，来对冷却剂加热的燃料进行进一步的辅助加热。在一个实施例中，在冷却剂回路的通向水套的分支内设置恒温器，以防止冷却剂在还没有获得足够高的温度时流向燃料轨。也就是说，避免提供至燃料轨的冷却剂使得已经由电加热元件加热的燃料冷却的情况。在一个实施例中，恒温器是机械式恒温器，其在低于预定温度的温度下关闭，且在超出预定温度的温度下打开。在带有与燃料轨相关联的电加热元件的实施例中，电控单元联接至电加热元件。电控单元在接收到发动机将起动的指示时使得电加热元件被启动。电控单元还联接至与发动机冷却剂接触的温度传感器，并且电控单元使得加热元件在发动机冷却剂的温度超出阈值温度时停用。在一些替代实施例中，恒温器被以电气方式控制，使得基于上述燃料轨和发动机冷却剂内的估计或测量温度而允许从接近排气管的水套至燃料轨的流动。发动机将起动的指示是下述情况之一钥匙插在点火开关内、车门打开、车门解锁、车门被打开与关闭、制动踏板被压下、钥匙处在距车辆预先确定的距离内、或者车辆驾驶员命令发动机起动。电加热元件的启动可以进一步基于发动机冷却剂的温度低于阈值温度。在一些实施例中，燃料喷射器包括电联接至电控单元的电加热器，电控单元在有指示表明发动机将起动时启动电加热器。在一个实施例中，直喷式汽油发动机包括燃料轨以及发动机冷却剂回路。发动机冷却剂回路具有主水泵，其用于循环冷却剂；位于发动机内的水套，水套在气缸盖内，带有接近排气管的部分；以及燃料轨分支，其基本上直接地联接在接近排气管的水套部分的下游，其中，燃料轨分支物理地接触燃料轨。发动机还具有联接至发动机的温度传感器，以及电联接至主水泵和温度传感器的发动机控制单元。当来自温度传感器的信号指示发动机内的发动机冷却剂的温度低于阈值温度时，发动机控制单元使得主水泵停用。在一些实施例中，发动机还具有辅助泵，辅助泵联接至发动机冷却剂回路并且电联接至发动机控制单元。基于发动机内的发动机冷却剂的温度高于阈值温度且主水泵被停用，发动机控制单元控制辅助水泵，来实现冷却剂回路内的流动循环。排气管是下述零件之一直接地位于发动机气缸下游的排气端口、引导来自排气端口的废气的单独排气管、以及单独排气管连接而成的组合排气管。根据又一实施例，一种直喷式汽油发动机包括联接至发动机气缸的燃料喷射器；燃料轨，其将燃料供应至燃料喷射器；设置在燃料喷射器内的电加热元件；以及发动机冷却剂回路，其包括水泵来使得发动机冷却剂循环经过发动机内的水套。设置有从冷却剂回 路到燃料轨的分支。在冷却剂回路的供应燃料轨的分支内设置恒温器。恒温器是机械式恒温器，其在低于预定温度的温度下关闭，并且在超出预定温度的温度下打开。电控单元联接至电加热元件。电控单元在接收到发动机将起动的指示时使得电加热元件被启动。电控单元联接至与发动机冷却剂接触的温度传感器，并且电控单元使得加热元件在发动机冷却剂的温度超出阈值温度时停用。电控单元联接至与发动机冷却剂接触的温度传感器，并且电加热元件的启动进一步基于发动机冷却剂的温度低于阈值温度。根据本实用新型另一方面，提供一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括燃料轨；燃料喷射器，其联接至所述燃料轨并且将燃料供应至发动机气缸中；以及发动机冷却剂回路，其包括冷却剂泵，所述冷却剂泵用于使冷却剂循环经过发动机内的冷却剂套，其中设置有从所述冷却剂回路到所述燃料轨的燃料轨分支，并且所述燃料轨分支联接至所述冷却剂回路的接近排气管的部分。根据本实用新型一个实施例，其中，所述燃料分支被供应基本上直接来自接近所述排气管的所述部分的冷却剂。根据本实用新型另一个实施例，其中，所述发动机进一步包括电控单元，其电联接至所述发动机和所述冷却剂泵，所述冷却剂泵是主水泵；以及辅助冷却剂泵，所述辅助冷却剂泵联接至所述发动机冷却剂回路并且电联接至所述电控单元，基于所述发动机内的所述发动机冷却剂的温度高于第一阈值温度且低于第二阈值温度，所述电控单元指令所述辅助水泵实现冷却剂回路内的循环流动。根据本实用新型另一个实施例，其中，所述燃料轨分支的与所述燃料轨物理接触的所述部分与所述燃料轨形成一体。根据本实用新型另一个实施例，其中，所述发动机进一步包括电加热元件，其设置在所述燃料轨内；以及恒温器，其设置在所述冷却剂回路的对所述燃料轨进行供应的分支内。根据本实用新型另一个实施例，其中，所述恒温器是机械式恒温器，所述机械式恒温器在低于预定温度的温度下关闭，并且在超出所述预定温度的温度下打开。根据本实用新型另一个实施例，其中，所述发动机进一步包括电控单元，其联接至所述电加热元件，其中所述电控单元在接收到发动机将起动的指示时启动所述电加热元件。根据本实用新型另一个实施例，其中，所述电控单元联接至与发动机冷却剂接触的温度传感器，并且所述电控单元在所述发动机冷却剂的温度超出阈值温度时停用所述加热元件。根据本实用新型又一方面，提供一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括燃料轨；以及发动机冷却剂回路，其包括主水泵，其用于循环冷却剂，位于所述发动机内的水套，其在气缸盖内且具有接近排气管的部分；以及燃料轨分支，其基本上直接地联接在接近排气管的所述水套部分的下游，其中所述燃料轨分支物理地接触所述燃料轨。根据本实用新型一个实施例，其中发动机进一步包括温度传感器，其联接至所述 发动机；以及发动机控制单元，其电联接至所述主水泵和所述温度传感器，其中当来自所述温度传感器的信号指示所述发动机内的发动机冷却剂的温度低于阈值温度时，所述发动机控制单元停用所述主水泵。根据本实用新型又一方面，提供一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括燃料喷射器，其联接至发动机气缸；燃料轨，其将燃料供应至所述燃料喷射器；以及发动机冷却剂回路，其包括水泵；水套，其位于所述发动机内并且具有接近所述发动机的排气管的部分；以及所述冷却剂回路的接近所述燃料轨的分支。
图I是车辆的示意图；图2是直喷式汽油发动机的一部分的示意图；以及图3和图4是用于加热燃料的算法的流程图。
具体实施方式
如同本领域普通技术人员理解的那样，结合任一附图示出与说明的实施例的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征相结合，以产生没有明确示出或说明的替代实施例。所示出特征的组合提供典型应用的示例实施例。但是，对于特定应用或实施方案来说，可能需要对所述特征进行与与本实用新型的教导相一致各种组合和修改。在图I中示出根据本实用新型实施例的车辆10的示意图。发动机12是直喷式汽油发动机，其中燃料喷射器16将燃料直接喷射到燃烧室内。或者，所述发动机是进气口喷射式汽油发动机或柴油发动机。加压燃料通过燃料线路18供应至燃料轨14，然后燃料轨14将燃料进给至喷射器16，用于输送至发动机12的燃烧室内。发动机12具有联接至发动机12内水套的冷却剂回路。冷却剂回路具有散热器20，用于将能量从发动机冷却剂传送至空气和主水泵22，主水泵22可以由发动机12直接驱动，用于使冷却剂在冷却剂回路内循环。或者，在泵22和发动机12之间可以设置离合器(未示出)，使得例如在发动机冷起动期间不需要进行冷却的时候能够停用泵22。在再一替代方案中，泵22可以被电气地驱动以允许对泵22的控制完全独立于发动机12的运行。[0028]提供冷却剂回路之外的分支24，以将冷却剂提供至临近燃料轨14的管28。在不同的实施例中，管28可以以线性接触的方式接触燃料轨14、设置在燃料轨14内、包绕燃料轨14、与燃料轨一体地形成，等等。管28和燃料轨14以任一适当方式形成液体-液体热交换器。分支24可以包括恒温器26，当恒温器26处的温度低于预先设定值的温度时，恒温器26关闭；当温度超过所述设定值的温度时，恒温器26打开。恒温器26可以是打开温度由所采用的蜡来确定的蜡马达恒温器。或者，恒温器26可以是带有电加热器的蜡马达恒温器，该电加热器对恒温器26的打开温度提供控制方案。在图I中，分支24示出为从发动机12的冷却水套分出，具体地从排气管附近分出。一些发动机具有集成的排气歧管，其中该排气歧管与气缸盖一体地铸造，此种构造利于在气缸盖的排气歧管部分内提供冷却剂通道。或者，通过在气缸盖和排气歧管之间提供冷却剂通道(该冷却剂通道穿过联接气缸盖和排气歧管的凸缘)，冷却剂能够被提供至分离开的排气歧管。在一些车辆中，采用起停策略来使得发动机12可以在延长的怠速期期间(例如在停车灯处)关闭。然而，为了对车厢内的乘客提供舒适感受，在关闭时间段期间，致动电动的辅助水泵56来提供经过空气-液体热交换器(58)(—般称为加热器芯)的流动。在如此 装备的车辆中，流出管28的冷却剂接近燃料轨14。在冷起动期间，主水泵22可以被停用，以允许具有发动机12内的冷却剂能够升温的时间段。在这已经发生之后，可以启动辅助泵56来提供冷却剂经过发动机12的滴流，使得排气管附近的气缸盖内的冷却剂直接提供至接近燃料轨14的管28。在车辆10上设置电控单元(E⑶)30。E⑶30可以是单个单元或者是提供分布式计算的多个单元。ECU 30联接至各个传感器和致动器。非穷举式的列表包括发动机冷却剂传感器32、燃料轨14内的一个或更多个电加热元件(未示出)和燃料喷射器16内的电加热元件(未示出)。在一个实施例中，同时在燃料喷射器16和燃料轨14这两处设置电加热元件。或者，仅仅在这两处的一处内设置电加热元件。E⑶30联接至其他传感器和致动器60。这些其他传感器和致动器60可以包括但不限于温度传感器(用于测量环境、发动机冷却剂、油等的温度)、压力传感器、湿度传感器、接近传感器与曲柄角传感器，以及用于控制辅助水泵56、节气门位置、EGR阀位置、点火正时、喷射器开度、其他气门位置、加热器、气门正时等的致动器。ECU 30可以包括多个处理器，但是为了方便起见，在图I中处理器示出为单个单元。根据本实用新型的实施例，当发动机将要起动时，启动电加热元件。理想的是有一定的先导时间来提供足够的时间以用于加热将要喷射至发动机内的燃料。可以基于车辆驾驶员的各种动作来推定或确定将起动发动机12的指示。在一个实施例中，基于车辆10的门42 (特别是驾驶室门)的打开来推定将起动发动机12。当门42关闭时，销开关44或其他适当开关被压下。基于来自开关44的信号，能够确定门42的状态。在另一实施例中，门锁46的状态用于推定发动机12可能会很快被起动。在此实施例中，门锁46的解锁被看作将很快进行发动机12的操作的指示。在另一实施例中，将钥匙48接近车辆10用作发动机即将运行的指示。在再一实施例中，感测制动踏板50的压下，并将之用作发动机操作的指示。在许多车辆中，发动机起动是根据制动踏板被压下而预先确定的。在又一实施例中，点火开关52的状态用于确定希望进行发动机操作。点火开关52可以是钥匙操作式开关。或者，点火开关52可以是按钮操作式开关，仅仅在车辆内有适当的RFID (射频识别)时，所述按钮操作式开关才是可操作的。理想的是有一定的先导时间来对喷射器和/或燃料轨内的燃料进行电加热。但是，对发动机起动的指示，诸如门打开或钥匙接近车辆，尽管比其他选项提供更多的先导时间，然而不是车辆即将起动的可靠指示。如果基于此种指示进行燃料加热，当不接着起动发动机时，燃料轨或喷射器内的燃料会被加热数次。制动踏板的压下是发动机将很快被起动的更可靠的指示。但是，与其他指示相比它提供较短的先导时间。显然，在各种指示之间需要进行权衡，适当的指示可以根据特定的应用情况确定。在图2中示出直喷式汽油发动机70的单个气缸68的示意图。发动机70包括气缸体69和气缸盖71。活塞72在气缸68内往复运动。通过发动机进气口 74供应新鲜空气。进入气缸68的新鲜空气流由进气门76调节。排气被排入发动机排气口 78，并由排气门80调节。发动机70具有设置在气缸体和气缸盖内的冷却套。在图2中，临近发动机排气端口 77和排气管78的冷却套的第一部分82准备由经过排气端口 77和排气管78的废气加热。冷却套的所述部分82基本上直接通至接近燃料轨86的管84。冷却套包括接近进气口的其他部分(未示出)，以及气缸体69内的部分83。在图2所示的实施例中，进气歧管与气缸盖一体形成，从而不示出为单独的元件。 在排气歧管中，每个气缸的一个或更多个排气管可以在离开排气歧管之前连接成单个管。排气管的此种连接在带有集成的排气歧管的气缸盖内出现。在本实用新型中，排气管意指以下中的任一个直接地位于燃烧室下游的排气端口、从排气端口引导的单独排气管、以及单独排气管所连接成的组合排气管。在带有电加热元件的实施例中，可以在将冷却剂从发动机70引导至燃料轨86的冷却剂线路90内设置恒温器88。在此种实施例中，会需要恒温器来防止在冷起动后非常短的时间内冷却剂流动，此时甚至排气管附近的冷却剂足够冷，而将从被电加热的燃料轨带走能量而不是期望的添加能量。在图3中示出本实用新型的一个算法的流程图。所述算法在100处开始。在102，确定是否已经收到即将进行发动机操作的指示。如上所述，所述指示可以基于一个或多个因素。或者，所述指示可以基于多个指示的组合。如果确定即将起动发动机，那么控制进行至104，其中，将燃料温度与阈值温度比较。燃料温度可以基于接近燃料轨/燃料喷射器的燃料系统内的温度传感器。或者，所述燃料温度可以基于诸如发动机冷却剂温度和环境空气温度的其他温度传感器，以及热传递模型。如果燃料温度高于阈值温度，则指示发动机和/或燃料在操作之前被升温，从而指示不需要附加的燃料加热。在该情况下，控制转至106，在106中通过一般的发动机策略来控制发动机运行。如果确定或推定燃料温度低于所述阈值温度，则控制转至108，在108中启动电加热元件。控制转至决定框110，在决定框110中，将发动机冷却剂的温度与阈值温度比较。如果发动机冷却剂足够温暖，则可以关闭电加热元件，且燃料加热由供应至接近燃料轨的液体-液体热交换器的发动机冷却剂提供(燃料是一种液体，发动机冷却剂是另一种液体)。在框112内，当所述温度超出阈值温度时，停用电加热元件。然后控制转至框106，用于进行正常操作。如上所述，取决于用于确定发动机起动的指示，可以有对发动机起动的一些伪指示。根据替代实施例，如果在在接收到发动机即将起动的指示之后预定的时间后没有进行此种起动，停止由电加热元件对燃料的加热。[0039]在一些实施例中，设置主水泵和辅助水泵来循环冷却剂，两个水泵能够被停用。在图4中，控制所述泵的算法示出为在150处开始。在决定框152中，确定发动机内冷却剂的温度是否大于第一阈值。可以基于来自温度传感器和热传递模型的信号的组合来确定发动机内冷却剂的温度。如果所述温度高于所述阈值，则控制转至框154，在框154中主泵开启且辅助泵关闭。如果152中的结果为否，则控制转至决定框，来确定发动机内的冷却剂的温度是否大于第二阈值。如果不大于，则两个泵停止。如果框156内的结果为是，则控制转至框160，在框160中，停用主泵，而启动辅助泵。从框154、158和160，控制转至决定框152。在一些情况下，特别是在起停车辆中，在长的时间期间在发动机内温度可能会下降，从而连续的监控是适当的。尽管已经详细说明了最佳实施方式，但是，熟悉本领域的技术人员将认识到下面的权利要求书范围内的各种替代设计和实施例。在此，在一个或更多的所需特征方面，一个或更多个实施例已经被说明为提供优点或优先于其他实施例和/或优于背景技术，本领域 的普通技术人员将认识到，会需要在各种特征之间进行权衡，以获得所需的系统特性，这将取决于特定的应用情况或实施方式。这些特性包括但不限于，成本、强度、耐久性、寿命周期成本、市场接受程度、外观、包装、尺寸、维护性能、质量、制造性能、装配容易度，等等。相对于其他实施例而言一个或更多个特征不是最理想的实施例并非处在所要求保护的本实用新型范围之外。
权利要求1.一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括 燃料轨； 燃料喷射器，其联接至所述燃料轨并且将燃料供应至发动机气缸中；以及发动机冷却剂回路，其包括冷却剂泵，所述冷却剂泵用于使冷却剂循环经过发动机内的冷却剂套，其中设置有从所述冷却剂回路到所述燃料轨的燃料轨分支，并且所述燃料轨分支联接至所述冷却剂回路的接近排气管的部分。
2.根据权利要求I所述的发动机，其特征是，所述燃料分支被供应直接来自接近所述排气管的所述部分的冷却剂。
3.根据权利要求I所述的发动机，其特征是，其进一步包括 电控单元，其电联接至所述发动机和所述冷却剂泵，所述冷却剂泵是主水泵；以及辅助冷却剂泵，所述辅助冷却剂泵联接至所述发动机冷却剂回路并且电联接至所述电控单元，基于所述发动机内的所述发动机冷却剂的温度高于第一阈值温度且低于第二阈值温度，所述电控单元指令所述辅助水泵实现冷却剂回路内的循环流动。
4.根据权利要求I所述的发动机，其特征是，所述燃料轨分支的与所述燃料轨物理接触的所述部分与所述燃料轨形成一体。
5.根据权利要求I所述的发动机，其特征是，其进一步包括 电加热元件，其设置在所述燃料轨内；以及 恒温器，其设置在所述冷却剂回路的对所述燃料轨进行供应的分支内。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征是，所述恒温器是机械式恒温器，所述机械式恒温器在低于预定温度的温度下关闭，并且在超出所述预定温度的温度下打开。
7.根据权利要求5所述的发动机，其特征是，其进一步包括 电控单元，其联接至所述电加热元件，其中所述电控单元在接收到发动机将起动的指示时启动所述电加热元件。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征是，所述电控单元联接至与发动机冷却剂接触的温度传感器，并且所述电控单元在所述发动机冷却剂的温度超出阈值温度时停用所述加热元件。
9.一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括 燃料轨；以及 发动机冷却剂回路，其包括 主水泵，其用于循环冷却剂， 位于所述发动机内的水套，其在气缸盖内且具有接近排气管的部分；以及燃料轨分支，其直接地联接在接近排气管的所述水套部分的下游，其中所述燃料轨分支物理地接触所述燃料轨。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征是，其进一步包括 温度传感器，其联接至所述发动机；以及 发动机控制单元，其电联接至所述主水泵和所述温度传感器，其中当来自所述温度传感器的信号指示所述发动机内的发动机冷却剂的温度低于阈值温度时，所述发动机控制单元停用所述主水泵。
11.一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括燃料喷射器，其联接至发动机气缸；燃料轨，其将燃料供应至所述燃料喷射器；以及发动机冷却剂回路，其包括水泵； 水套，其位于所述发动机内并且具有接近所述发动机的排气管的部分；以及所述冷却剂回路的接近所述燃料轨的分支。
专利摘要本实用新型提供一种直喷式汽油发动机，其特征是，其包括燃料轨；燃料喷射器，其联接至所述燃料轨并且将燃料供应至发动机气缸中；以及发动机冷却剂回路，其包括冷却剂泵，所述冷却剂泵用于使冷却剂循环经过发动机内的冷却剂套，其中设置有从所述冷却剂回路到所述燃料轨的燃料轨分支，并且所述燃料轨分支联接至所述冷却剂回路的接近排气管的部分。由于排气部分附近的水套内的冷却剂在发动机的冷起动期间更快速地被加热，所以燃料轨将在冷起动期间被快速地加热。由于燃料被加热，使得其在被导入燃烧室时更容易蒸发，从而，当燃料喷流从喷射器离开足够远的距离时，很少或没有燃料在液体形式下碰撞燃烧室表面。
文档编号F02M31/16GK202578960SQ20112038132
公开日2012年12月5日 申请日期2011年10月9日 优先权日2010年10月11日
发明者J·N·尤莱, R·D·伯斯佛 申请人:福特环球技术公司